揭秘光刻技术：一束光的旅程究竟有多复杂？

光刻机是生产芯片最核心的设备，技术难度非常高。目前全球90%以上的光刻机市场都被荷兰、日本占据，而最先进的光刻技术——EUV光刻，则只有荷兰的ASML能做，中国则全面落后。为什么这个领域这么难做？本期将从光刻技术和光刻机两大部分来共同探索，一束光的旅程究竟有多复杂？

光刻技术

Photo-

lithography

成就摩尔定律的追光之旅

光刻技术，简单来说就是利用光化学反应原理，在特定波长光线的作用下，把想要的图形刻蚀到到晶圆上的过程，因此也叫光刻蚀工艺。它的思想来源于历史悠久的印刷技术，不同的是，制造芯片所使用的光刻技术使用的是光而不是墨水。

▲光刻工艺的基本步骤

点击查看“光刻”的历史小故事

印刷技术最早产生于中国汉代晚期。800多年后，经宋朝毕昇改良，将固定的雕版印刷改造成活字印刷后便高速发展，后又发展出了激光照排技术。

现在意义上的“光刻”（Photolithography) 最早起始于1798年的德国慕尼黑，当时阿罗约·塞内菲德勒在发行出版自己的作品过程中发现，如果使用油性铅笔将插图画在多孔的石灰石上，并且将没有画到的地方用水浸湿，由于油性墨水不溶于水的特性，会与水相互排斥，后续墨水只会吸附在油性铅笔画过的地方。这种技术被叫做lithography，它成为了后来现代多重套印的基本思路，并一直传承至今。

光刻技术的核心其实是围绕两个定律

摩尔定律

moore’s law

由英特尔的创始人之一戈登·摩尔提出。芯片的基本元件是晶体管，晶体管越多，芯片的运算速度越快。摩尔定律是指，每隔两年，同样大小的芯片里面的晶体管的数量就会增加一倍，性能也增加一倍。

这就要求芯片内部制造得越来越精细，如今先进工艺制程的两个起点之间只能有几纳米的距离了。（1nm约为头发丝直径的的五万分之一）

如此精细的产品，便需要用放大的思想来制造。传统的放大方法——杠杆等机械结构无法满足纳米级精度的“雕刻”。因此人们想到了用光来放大，原理类似我们常见的投影机。光刻机的核心就是将光通过一个可以放大的透光的模子，照射到硅片上，从而印出想要的形状，也就是芯片的内部结构。

▲光刻示意图

瑞利判据

Rayleigh Criterion

光刻技术对光源有着极为苛刻的要求。这就涉及到第二个原理——瑞利判据

▲瑞利判据第一公式

想要制造出更小的尺寸，就需要能分辨更小的尺寸。瑞利判据中，λ为光源波长、ΝΑ为数值孔径、k₁为光刻工艺系数，三者共同决定投影式光刻机分辨率CD。

1

更短光源波长λ

▲缩短光源波长

根据公式可以看出，光刻机的分辨率与光源波长成正比，想要制造出更小的尺寸，就需要缩短光源的波长，这也是光刻机世代演变的核心。光刻机历经五代，波长从436nm缩小约30倍，达到13.5nm，对应节点从μm级升级到最先进的3nm，光源波长的缩短支撑了摩尔定律的发展。

▲芯片工艺节点与光源波长的关系

20世纪六七十年代，集成电路产业制造初期采用接触式光刻技术，以可见光作为光源；80年代广泛应用接近式光刻技术，并改用高压汞灯产生的紫外光（UV），g线和i线是紫外光中能量较高的谱线，365nm的i-line可将最高分辨率推动至220nm；80年代中期，IBM/Cymer等公司开始研发深紫外（DUV）准分子激光，最高分辨率降低至KrF（110nm）和ArF（65nm）,采用ArF光源的第四代光刻机是目前应用最广泛的一代。随着工艺节点发展到7nm及以下，20世纪初期产业联合研发第五代EUV光刻机，使用13.5nm的极紫外光，比DUV短14倍以上。

▲光刻光源世代演变

2

增大NA：物镜直径↑+浸没式光刻

▲提高数值孔径NA

光源演进到ArF（193nm）时，下一代光源推进速度放缓，巨头们开始将目光转向提高数值孔径NA，并出现了F2（光源演进）与ArF+immersion（增大NA）的路线之争。

物镜的数值孔径NA= n*sinθ，其中 n 为介质折射率， θ 为镜头聚焦至成像面的角度。

▲光线通过透镜系统聚焦成像

增大NA的两个方法：

1）增加投影物镜的直径，使更多的衍射光被收集并聚焦在晶圆表面，从而提高数值孔径。但当线宽小于65nm时，由于射出投影物镜的光角度太大（接近水平），加上折射效应，光线无法聚焦，该方法失效；

2）浸没式光刻：在投影物镜和晶圆间加水，从而增大介质折射率（193nm波长激光中，空气=1，水=1.44，玻璃≈1.5），实现等效波长为193/1.44=134nm（157nm），且系统升级更便捷，浸没式DUV脱颖而出。目前NA最大为1.35（ASML的湿法DUV），EUV光刻机正在从0.33NA向0.55NA突破。

▲工艺节点与光源波长及NA的关系

3

缩小k₁：突破物理极限

光照条件的设置、掩模版设计以及光刻胶工艺等因素对分辨率的影响都反映在k₁因子中，k₁因子也常被用于评估光刻工艺的难度，ASML认为其物理极限在0.25，k₁体现了各家晶圆厂运用光刻技术的水平。

分辨率增强技术（RET）是指对掩模和光照系统做改进，实现最大共同工艺窗口，从而提高分辨率。常见方法包括离轴照明、光学邻近校正、移相掩模、添加亚分辨率辅助图等，通过改变掩模的振幅（OPC法）或相位（PSM法），调整光源入射角度（OAI法）等提高分辨率、增加焦深、改善图形质量，此外也可以用多重曝光技术实现超越光刻机理论分辨率的精度。

▲部分典型的分辨率增强技术

4

瑞利第二公式DoF = k₂λ/NA²

焦深DoF限制了NA的无限扩大。焦深是指硅片沿光路移动时，能保持曝光成像质量的距离，焦深越大层间误差越小。随着光源波长逼近极限，目前降低分辨率的主要方法为增大数值孔径，但需要和DoF折中考虑。

在瑞利公式的指导下，人类在缩短波长λ，增大数值孔径NA，降低工艺因子k₁三个方面不断探索和突破极限。为实现进一步的制程微缩，业界又在曝光工艺方面极尽智慧。初代光刻机采用接触式或接近式，无法兼顾掩模版寿命与分辨率。1973年，美国Perkin Elmer率先推出第一台投影式光刻机，投影式光刻机既能避免污染又能实现倍缩，迅速替代传统接近接触式，成为市场主流。

▲不同曝光技术示意图

▲三类曝光方式的优劣对比

5

“多重曝光”

实现制程微缩的另一个重要手段是“多重曝光”，即将原本一层光刻的图形拆分到多个掩模上，利用光刻Litho和刻蚀Etch实现更小制程。常见的技术有双重曝光（DE）、固化双重曝光（LFLE）、双重光刻（LELE）、三重光刻（LELELE）、自对准双重成像（SADP）、连续两次SADP（SAQP）等。

▲LELE双重光刻工艺示意图

需要注意的是，尽管多重曝光可以做成更先进的制程，当制程微缩至10nm及以下时，浸没式DUV多重曝光的工艺复杂度急剧上升。

比如，多次LE或SADP可以实现7nm制程，但多重曝光技术提高了对刻蚀、沉积等工艺的技术要求并且增加了使用次数，使晶圆光刻成本增加了2-3倍。

此时，相较多重曝光，EUV能降低15%-50%的成本，缩短3-6x的周期时间，使产品更快量产。而对于5nm制程，浸没式DUV难以实现且不具备经济效益。

▲不同节点采用浸没式DUV进行多重曝光的工艺复杂度

光刻机

Mask

Aligner

挑战全人类文明的极限

上一部分我们了解到光刻技术的核心原理和实现手段，想要进行光刻就得上机器了。光刻机的技术水平很大程度上决定了集成电路的发展水平。先进制程芯片（14nm以下）需要进行20-30次光刻，光刻工艺的耗时可以占到整个晶圆制造时间的40%-50%，费用约占芯片生产成本的1/3。

荷兰最新一代EUV光刻机造价1.5亿美元，约合人民币近10亿，整个机器包含10万个部件和2公里长的电缆，有公共汽车大小，重达200吨左右。国内上海微电子90nm的干法DUV光刻机，包括13个分系统，3万个机械件，200多个传感器。

如此庞然大物内部构造是怎样的呢？

整台光刻机主要包括光源系统、照明系统、投影物镜系统、双工件台系统、以及传输系统（光罩+晶圆）、调平调焦系统、对准系统等；同时需要极严苛的环境控制、整机控制以及整机软件分析系统。光刻机性能的三大评价指标是分辨率（CD）、套刻精度（overlay）、和产率（throughput，wph）。可以说光刻机的每一部分都在挑战人类工程的极限。

▲光刻机的整体结构图

光刻机的演进主要分为以下几个阶段

1）UV光刻机：用于0.25微米及以上制程节点，UV为紫外光，光源类型包括g-line、i-line等。

2）干式DUV光刻机：可用于65nm-0.35μm制程节点，干式DUV是指在光刻过程中使用干式透镜和深紫外线光源，该技术在20世纪90年代初得到了广泛应用。

3）浸入式DUV光刻机：可用于7nm-45nm制程节点，随着芯片制造技术对先进制程的需求持续增加，干式DUV光刻机已无法满足其精度要求。浸入式DUV光刻机通过把物镜与晶圆之间的填充由空气改变为水，进而获得更高的数值孔径（NA），使光刻机具有更高的分辨率与成像能力。

4）Low-NAEUV光刻机：用于3nm-7nm制程节点，EUV为极紫外光，该光源的波长较此前光源明显减小，显著提升光刻机的分辨率。

5）High-NAEUV光刻机：用于3nm以下制程节点，High-NA是指高数值孔径（0.33→0.55），是下一代光刻机技术，将在已有EUV基础上进一步提高分辨率与成像能力，从而实现更先进制程的生产。当前该技术还在研发中。

▲光刻机演进示意图

并且不是有光刻机就“大功告成”，可以开始“印芯片”了，光刻机更像是中间执行的环节，而在执行前后，还需要很多同样重要的工作，比如说计算光刻和量测。

计算光刻指的是利用各种物理，化学和数学模型去计算模拟真实光刻发生的过程和结果。通过修改各种参数，寻找最优的参数组合来修正掩膜板的图形和光源形状，来提升光刻的质量。这种模拟仿真的思路类似造飞机的时候需要经过很多次的风洞实验，都通过之后才能进行真正的试飞，否则既危险又成本高昂。计算光刻已经成为现代光刻技术研发的核心和最重要的环节之一。

▲集成电路制造主要流程

量测就是进行芯片的缺陷检测，判断芯片是否合格。一个晶圆的制作可能包含近百次的曝光，由于每次曝光的间隔都需要对晶圆进行移动调整，为了保证移动的稳定和精准，避免出现小至几纳米的误差导致芯片报废，就需要不断的对晶圆在纳米尺度做量测，并且实现校正和结果的反馈，从而不断的提升良率。

量测主要有两种方法：基于衍射的光学量测和电子束量测。其中基于衍射的光学量测用来评估晶圆电路图案的质量，而电子数量测则是用来定位和分析单个芯片的缺陷。在一个光刻系统中，这两种量测的方法通常是同时使用。

全球第一台光刻机于1961年诞生于美国，彼时距离荷兰ASML成立还有23年。如今光刻机行业的绝对龙头却是“后来者居上”的ASML。ASML这个“光刻巨人”是如何一步步实现突破，超越其他厂商，达到垄断地位的呢？我国的光刻机的发展历史和现状又究竟如何？小编会在下一期内容为大家呈现。欢迎大家关注

晶上世界

半导体资讯丨有价值，有看点

参考资料：

1. 中航证券：电子行业光刻机深度

2. 中泰证券：光刻机行业报告

3. ASML官网

4. B站up主极客队长、谈三圈、老石谈芯

觉得内容不错，那就点个“在看”吧~