半導體設備（03） 光刻機
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光刻是將電路圖形從掩膜版上轉移至硅片上的工藝流程 ， 其過程利用光刻機所發出的光線 ， 將涂有光敏材料（光刻膠）的晶圓進行曝光處理 ， 光刻膠遇見光照后會發生特性變化 ， 經過顯影液顯影后將掩膜版上的圖形轉移到晶圓上來 ， 從而在晶圓上實現微觀電路圖形的特性 。
光刻機分類
按工作原理分類：
根據工作原理進行分類 ， 按照光刻時是否使用掩膜 ， 將光刻機分為掩膜光刻以及無掩膜光刻 。 其中 ， 掩膜光刻包含接觸式光刻機、接近式光刻機和投影式光刻機；無掩膜光刻包含激光直寫光刻機、納米壓印光刻機等 。
1. 掩膜光刻機：
接觸式光刻機把掩膜版壓在涂有光刻膠的晶圓上 。 優點：設備簡單 ， 分辨率高 ， 沒有衍射效應 。 缺點：成品率低 ， 容易造成晶圓和掩膜版的污染 ， 不適合大規模生產 。
接近式光刻機在曝光時通過把掩膜位置提高來解決容易損壞和污染的問題 。 缺點：由于氣墊的音響 ， 影響成像精度 。
投影式光刻機采用透鏡成像的原理把掩膜上的圖形轉移到晶圓上 ， 避免掩膜和晶圓的物理接觸 。 投影方案精度高 ， 可重復性好 ， 實用性強 。
掃描投影式光刻使用一倍掩膜版 ， 掩膜圖形與晶圓尺寸1:1曝光 。 曝光過程中光源不移動 ， 掩膜和晶圓同時向相反方向移動 ， 從而完成一次光刻過程 。 曝光區域從整個晶圓變為一塊矩形區域 ， 掩膜圖形與晶圓實際圖形的比例大于1:1 。 完成一個曝光區域后 ， 可通過步進器來調整晶圓位置來重復進行下一個區域的曝光 。
步進掃描方式光刻的運動包含步進和掃描兩種運動 。 掃描運動中 ， 掩膜臺和硅片臺反向運動 ， 完成一個區域的曝光 。 步進運動中 ， 通過步進器移動硅片臺的曝光位置從一個區域移動下一個區域 。 具有高精度和均勻性 。
2. 無掩膜光刻機：
利用電子束/離子束或激光直接投到基片表面的抗蝕劑上 ， 不需要掩膜進行曝光 。 直寫光刻雖然具有高分辨率和圖形靈活的優點 ， 但速度慢 ， 即便是多波束設備其速度還是不適合大批量生產 。 但電子束和激光直寫可用于掩膜版的生產 ， 以及納米級的科學研究 。
納米壓印技術通過使用帶有微納結構圖案的模板印章 ， 將圖案物理地壓印到涂有聚合物材料的襯底上 ， 從而實現納米級圖案的復制 。 納米壓印還存在結構均勻性 ， 缺陷率控制 ， 模版壽命 ， 以及圖形轉移缺陷控制等挑戰 。
按光源分類：
光源是光刻機的核心構成之一 ， 其波長決定了光刻機的工藝能力 。 光刻機根據光源不同可分成紫外（UV）光刻機、深紫外（DUV）光刻機、極紫外（EUV）光刻機三類 。 根據其工作原理不同也從接觸式發展到當今的浸沒步進式投影和極紫外光刻機 。
1. 紫外光刻機：采用汞燈 ， 從g-line到l-line ， 波長從436nm至365nm ， 制程節點為800-250nm；
2. 深紫外光刻機：采用準分子激光 ， 從KrF到ArF/ArFi ， 對應波長為248nm-134nm ， 制程節點為180nm-7nm；
3. 極紫外光刻機：是下一代光刻技術的一種 ， 在7nm以下的最高端工藝上都會采用EUV光刻機 。
光刻機的關鍵參數
光刻機中重要的性能參數主要有：分辨率、焦深、套刻精度、產率、視場、線寬均勻、MTF（調控傳遞函數）、掩膜版誤差因子等 。 而核心參數為分辨率、焦深和套刻精度 。 其中 ， 分辨率與光刻機的最小精度相關聯 ， 焦深對光刻機成像范圍有影響 ， 套刻精度則決定了工藝層是否套疊對準 。 因此 ， 這三個技術指標被視為光刻機最重要的三個因素 。
分辨率： 光刻機的分辨率是指光刻機在光刻過程中能夠區分并復制最小尺寸圖案的能力 。 它是衡量光刻機性能的關鍵指標之一 ， 直接決定了光刻機能制造的最小特征尺寸 ， 比如線寬或間距 。 分辨率越高 ， 光刻機能夠制造的圖案就越精細 。
（艾里斑與分辨率極限）
焦深： 光刻機的焦深（Depth of Focus DOF）指的是在保持成像質量滿足要求的前提下 ， 曝光系統允許的離焦范圍 。 具體來說 ， 焦深是指在焦點周圍一個范圍內 ， 圖像能夠連續保持信息 ， 相當于照相機的景深 。 在焦深范圍內 ， 曝光成像的質量可以得到保證 。 為了保證光刻工藝的良率 ， 曝光時的焦深必須遠大于晶圓表面的不平整度 。
【半導體設備（03） 光刻機】
（焦深示意圖）
套刻精度： 光刻機的套刻精度（Overlay Accuracy）是指是在多層光刻工藝中 ， 新曝光層與之前層的圖形對準的精確度 。 套刻精度對于保證芯片的性能和良率至關重要 ， 因為任何對準偏差都可能導致電路連接錯誤或器件失效 。 實現高精度套刻的關鍵在于光刻機的對準系統 ， 它包括掩膜的預對準和定位、晶圓的預對準、掩膜工件臺與晶圓工作臺之間的對準、以及掩膜與晶圓的精確對準等多個步驟 。
導致套刻誤差的來源大致可分為晶圓、光刻機、掩膜與環境四類 。 目前普遍采用物理修正來修正套刻誤差 ， 提高套刻精度 。
光刻機的其他參數指標還包括由光學系統決定的視場、調控傳遞函數 ， MTF、掩膜版誤差因子和線寬均勻性等 ， 以及由機械系統決定的產率 。 這些指標在衡量光刻機的精確度 ， 經濟性時均具有重要意義 。
免責申明：全文轉自微信公眾號 半導體農夫 華芯。 感謝原文作者的貢獻 ， 僅用于學習和普及 。 如有侵權 ， 請聯系刪除 。
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