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半導(dǎo)體設(shè)備（04） 光刻機(jī)

上海市

半導(dǎo)體設(shè)備（04） 光刻機(jī)

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光刻機(jī)架構(gòu)

光刻機(jī)主要由光源、光路系統(tǒng)及物鏡、雙工件臺(tái)、測量系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)等部分組成 。 其中 ， 晶圓模組部分主要負(fù)責(zé)曝光前晶片的測量與參數(shù)錄入 ， 照明光學(xué)模組部分完成晶圓的曝光 。 在晶圓模組部分：晶圓傳送模組中 ， 由機(jī)械手臂負(fù)責(zé)將晶圓由光阻涂布機(jī)傳送到晶圓平臺(tái)模組 。 而晶圓雙平臺(tái)模組負(fù)責(zé)在一片晶圓曝光的同時(shí) ， 將待曝光晶圓進(jìn)行預(yù)對(duì)準(zhǔn) ， 隨后對(duì)其表面高低起伏的程度進(jìn)行測量 ， 并將相關(guān)坐標(biāo)錄入計(jì)算機(jī) 。 由此 ， 在不到0.15秒的單位曝光時(shí)間內(nèi) ， 硅片承載臺(tái)可以精準(zhǔn)快速移動(dòng)以達(dá)到最好的曝光效果 。
在照明光學(xué)模組部分：紫外光從光源模組生成后 ， 被導(dǎo)入到照明模組 ， 并經(jīng)過矯正、能量控制器、光束成型裝置等后進(jìn)入光掩膜臺(tái) ， 隨后經(jīng)過物鏡補(bǔ)償光學(xué)誤差 ， 最后將線路圖曝光在已測量對(duì)準(zhǔn)的晶圓上 。
光源系統(tǒng)
光源系統(tǒng)的核心作用：光源波長直接影響光刻工藝的精度 ， 波長越短 ， 能夠制造的晶體管線寬越小 ， 從而提高芯片的性能 。

光刻技術(shù)隨著光源波長的縮短而不斷進(jìn)步 ， 從早期的高壓汞燈照明到后來的深紫外光（DUV）和極紫外光（EUV） 。
高壓汞燈
高壓汞燈照明主要對(duì)g ( 4 3 6 n m ) 、h(405nm)、i(365nm)三線進(jìn)行曝光 。 其采用汞蒸氣發(fā)電放光 。 工作原理：放電管內(nèi)有啟動(dòng)用的氬氣和放電用的汞 ， 通過在電極之間施加高壓脈沖 ， 使氣體電離 ，電弧的熱量使汞蒸氣激發(fā) ， 汞原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài) 。 激發(fā)態(tài)的汞原子不穩(wěn)定 ， 會(huì)迅速返回到基態(tài) ， 在這個(gè)過程中釋放出能量 ， 以光的形式發(fā)出 。 汞原子的這種躍遷主要產(chǎn)生紫外線 ， 特別是波長為436nm、405nm和365nm的譜線 ， 這些波長對(duì)于早期光刻技術(shù)非常重要 。

（高壓汞燈光刻光源）
第三代和第四代光刻機(jī)光源為深紫外光（DUV） ， 使用準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生 ， 可實(shí)現(xiàn)KrF、ArF和F2 。 隨著制程節(jié)點(diǎn)的縮小 ， 短波長的極紫外光（EUV）無法從激光器中產(chǎn)生 ， 需通過高能脈沖激光轟擊液態(tài)錫靶形成等離子體后產(chǎn)生 。 其原理是激光放電箱體內(nèi)充有由鹵素氣體(如氟F)和緩沖氣體(氬Ar ， 氪Kr）構(gòu)成的混合氣體作為工作介質(zhì) ， 氣體受到來自高壓脈沖的放電激勵(lì)產(chǎn)生等離子態(tài)時(shí) ，能級(jí)躍遷導(dǎo)致處于激勵(lì)能級(jí)的原子或分子與激發(fā)態(tài)的原子或分子相互作用 ， 形成準(zhǔn)分子激發(fā)態(tài) 。 這些激發(fā)態(tài)分子的壽命非常短暫 ， 僅幾納秒 ， 它們會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移或電化學(xué)反應(yīng) ，產(chǎn)生高能量的光子 ， 從而輻射出深紫外光 。

極紫外光光源
極紫外光由高能激光轟擊金屬錫產(chǎn)生等離子體輻射產(chǎn)生 ， 其過程首先使用特殊的液滴發(fā)生器產(chǎn)生微小的錫液滴 ， 這些液滴在真空室內(nèi)被連續(xù)噴射出來 。 接下來 ， 使用高功率的CO2激光器發(fā)出兩個(gè)激光脈沖 ， 第一個(gè)是預(yù)脈沖 ， 它將錫液滴壓扁成直徑約500微米的扁平圓盤形狀 ， 而第二個(gè)主脈沖則用于將扁平的錫液滴電離 ， 產(chǎn)生等離子體 。

（極紫外光源雙脈沖）
電離過程中 ， 錫原子被激發(fā)到高能態(tài) ， 并在躍遷回低能態(tài)時(shí)發(fā)出極紫外光 。 產(chǎn)生的極紫外光隨后被收集鏡收集 ， 并經(jīng)過光譜純化 ， 以確保光的波長和方向符合光刻要求 。 經(jīng)過純化的極紫外光被傳輸至光刻系統(tǒng) ， 在那里 ， 光束將通過掩模和投影系統(tǒng) ， 最終曝光在硅晶圓上 ， 形成所需的電路圖案 。

（等離子體轉(zhuǎn)換成13.5nm光的過程）
光源系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)：
足夠大的光源功率 ， 長時(shí)間的高可靠性工作 ， 精密程度高光路系統(tǒng) 。
光刻機(jī)的光路系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)和投影物鏡
光刻機(jī)照明系統(tǒng)
照明系統(tǒng)位于光源和掩膜版之間 ， 它為投影物鏡成像提供特定光線角譜和強(qiáng)度分布的照明光 。 照明系統(tǒng)包括光束處理 ，光瞳整形 ， 能量探測 ， 光場均化 ， 中繼成像 ， 和偏振照明等單元 。

光源經(jīng)過擴(kuò)束器得到更大的光束尺寸 ， 以便后續(xù)的整形和勻化處理 ， 通過整直確保光束的形狀 ， 尺寸 ， 和發(fā)散角符合光刻過程的要求 。 勻光單位能確保光束在掩膜面上形成均勻的照明分布 。 掃描狹縫用來確定包括視場尺寸和中心位置 ， 控制曝光區(qū)域和曝光劑量 。 中繼鏡組位于掃描狹縫和掩膜版之間 ， 負(fù)責(zé)將經(jīng)過前面各級(jí)處理后的照明光場傳輸?shù)窖谀っ嫔?。
投影物鏡
投影物鏡的作用是將掩膜版上的圖案通過光學(xué)系統(tǒng)縮小 ， 并精確投射到硅片表面上 。 物鏡的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)非常復(fù)雜 ， 需要考慮各種光學(xué)性能 ， 如球差 ， 色差 ， 散焦 ， 場曲 ， 等像差問題 。 物鏡的性能直接決定了光刻機(jī)的線寬 ， 套刻精度 。 對(duì)環(huán)境控制(溫度 ， 氣壓）、冷鏡頭/熱鏡頭的像差補(bǔ)償、鏡頭表面平整度等等都有極致要求 。 蔡司生產(chǎn)的最新一代EUV光刻機(jī)反射鏡最大直徑1.2米 ， 表面粗糙度0.02納米 ， 達(dá)到了原子級(jí)別的平坦 。
投影物鏡主要分為全折射型和折反型 ， 對(duì)于NA>1.2的投影物鏡 ， 大多采用折反式【NA/數(shù)值孔徑 ， NA越大 ， 光學(xué)系統(tǒng)分辨率越高】 。

蔡司是目前唯一掌握EUV光學(xué)器件的企業(yè) ， 于1968年開始涉足半導(dǎo)體領(lǐng)域 ， 2010年公司研發(fā)全球第一套EUV光學(xué)系統(tǒng) 。
【參考觀察者網(wǎng)文章《 俄羅斯 ， 會(huì)比中國先造出EUV光刻機(jī)？》顯示 ， 俄羅斯科學(xué)院微結(jié)構(gòu)物理研究所在ASML早期EUV研究中 ， 也為其提供過光學(xué)器件 ?！?br />
(圖片來源：觀察者網(wǎng)《 俄羅斯 ， 會(huì)比中國先造出EUV光刻機(jī)？》青嵐）
雙工件臺(tái)系統(tǒng)
光刻機(jī)的雙工件臺(tái)是一種先進(jìn)的技術(shù) ， 它允許一臺(tái)光刻機(jī)內(nèi)部同時(shí)有兩個(gè)承載晶圓的工件臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行 ， 從而顯著提高光刻機(jī)的產(chǎn)能和效率 。 在雙工件臺(tái)系統(tǒng)中 ， 一個(gè)工件臺(tái)上的晶圓進(jìn)行曝光操作時(shí) ， 另一個(gè)工件臺(tái)可以進(jìn)行測量和其他曝光前的準(zhǔn)備工作 。 當(dāng)曝光完成之后 ， 兩個(gè)工件臺(tái)會(huì)交換位置和職能 ， 實(shí)現(xiàn)高效的循環(huán)作業(yè) 。
雙工件臺(tái)的技術(shù)難點(diǎn)包括對(duì)準(zhǔn)精度要求高 ， 運(yùn)動(dòng)速度快 ， 運(yùn)作穩(wěn)定 。

（清華大學(xué)雙工件臺(tái)）
【半導(dǎo)體設(shè)備（04） 光刻機(jī)】免責(zé)申明：全文轉(zhuǎn)自微信公眾號(hào) 半導(dǎo)農(nóng)夫 華芯 。 感謝原文作者的貢獻(xiàn) ， 僅用于學(xué)習(xí)和普及 。 如有侵權(quán) ， 請(qǐng)聯(lián)系刪除 。

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