光刻机的分类与原理

本文主要介绍光刻机的分类与原理。

光刻机分类

光刻机的分类方式很多。按半导体制造工序分类，光刻设备有前道和后道之分。前道光刻机包括芯片光刻机和面板光刻机。面板光刻机的工作原理和芯片光刻机相似，但是由于面板光刻机针对的是薄膜晶体管，芯片光刻机针对的是晶圆，面板光刻机精度要求远低于芯片光刻机，只要达到pm级别即可。后道光刻机则是单质封装光刻机，封装光刻机的作用相较于前道光刻机来说较小，所以其精度和价值远远比不上前道光刻机。光刻技术采用的光源类别涵盖紫外光刻（UV）、深紫外光刻（DUV）以及极紫外光刻（EUV）。光刻机的迭代往往伴随着光源的革新，具体表现为光波波长的持续缩减，因此，光源类型常被用作界定光刻机世代的标准。至于光刻机当前主流的划分依据，则是依据其曝光机制，分为直写光刻、接近式接触光刻、光学投影光刻及浸没式光刻四大类别。

a)直写式光刻b)接近接触式光刻c)光学投影式光刻

如下图所示，直写光刻是最基础的光刻技术，其曝光范围有限，因此主要应用于掩模版的制造。接近接触光刻则包含接触与接近两种模式：接触式光刻机中，掩模版直接与光刻胶接触，设备成本较低，分辨率通常高于0.5μm，但受限于光刻胶厚度，可能导致掩模版受损，污染物直接成像于硅片，引发硅片变形，进而影响成像均匀性；而接近式光刻机中，掩模版与光刻胶保持微小间隙，同样具备成本效益，且避免了掩模版直接接触光刻胶导致的损伤，然而，接近式光刻会引发衍射效应，降低图像传递的精确度，其分辨率较接触式低。光学投影光刻则是利用光学系统在掩模版与光刻胶间聚焦光线进行曝光，显著提升了分辨率。光学投影光刻机分为步进-重复与步进-扫描两种类型，它们以缩小比例的方式将掩模版图像投影至硅片上。这种曝光技术不仅分辨率高，对掩模版损耗小，且对污染物敏感度低，但设备成本高昂，系统构造极为复杂。

除此之外，随着芯片制造技术不断发展，又陆续发展出双工作台式光刻、浸没式光刻等多种先进的新型光刻技术，极大程度提高了光刻工艺效率和工艺精度。在硅片开始光刻之前，必须经过精确的测量和对准流程。早期，光刻机仅设计有一个工作台，负责从测量、对准直至光刻的完整作业流程。然而，随着双工作台系统的应用，光刻机能够在保持原有速度和加速度稳定的情况下，实现两个工作台的同时运作：一个工作台专注于曝光作业，而另一个则同步进行曝光前的预对准准备。这一改进将光刻机的生产效率提升了约35%。尽管从表面上看，仅仅是增加了一个工作台，但背后的技术挑战却相当艰巨。双工作台系统对工作台切换的速度与精确度提出了严苛要求：切换速度若慢，会拖累光刻机整体效率；而切换精度不足，则可能干扰后续的扫描光刻等关键环节。在传统光刻机与光刻技术中，这样的设计尚未普及。投影透量系统与光刻胶之间是折射率近似为t的空气层，如上图所示，与传统的光刻机结构不同，浸没式光刻机在其投影物镜系统未端（即最后一面投影物镜的下表面）与基底的感光材料之间加入高折射率的液体，依照应用光学理论；光在通过高折射率的液体层时其光波长会相应缩短，因此可以使得193nm的光源波长折算等效为134nm，以一种巧妙的方式降低了光源的波长，提高了光刻机的分辨精度。

光刻机原理

如前文所述，光刻机种类繁多，不同种类光刻机原理不同，由于目前主流光刻机是EUV类型光刻机。如图所示，EUV光刻机就是一个大的投影曝光系统，主要包括计算机控制台、治源、横片，光罩和基底等，在光刻机工作的过程中，由光源发射的激光光束会照射到带有电路图的掩模版和光学镜片土，从而对带有感光材料的基底进行曝光，随后用化学方法对曝光图加以昂影，得到最终的图形。光刻机内部结构的核心组件包括光源系统和光校正系统。光源系统依赖于激光器作为激发装置，以发射激光束；而光校正系统则通过物镜来弥补光学偏差。通常，光刻机的光校正系统配备有15至20个直径范围在200至300毫米之间的透镜，且每一个镜片的精度要求极高，这也是光刻机成本极高的主要原因之一凹。下图所示为光刻机简易工作原理图，接下来详细阐述一下光刻机中各个部分的作用。

光刻机外观图

光刻机简易工作原理图

首先光刻机中有两个平台，分别是测量台和曝光台，二者虽然都起着承载基底硅片的作用，但是前者主要进行测量，后者主要进行曝光。内部封闭框架和减振器属于光刻机外围装置，主要作用包括保持工作台的封闭性和水平性、避兔外部机械振动的干扰以及维持相对稳定的温度激励。激光器的作用是产生具有良好相干性的激光光源，如前文所述，光源作为光刻机的关键组件，其波长直接决定了光刻机的工艺水平。如下表所示，早期的光刻技术采用汞灯作为紫外光源，经历了从g线到i线的逐步发展，波长从436纳米缩短至365纳米，从而达到了200纳米以上的分辨率水平。跨入21世纪后，光刻行业引入了准分子激光激发的深紫外光源，波长进一步缩减到ArF的193纳米，再次显著提高了光刻效率，进一步强调了光源在光刻技术中的关键作用。

各光刻机光源的参数

光束校正装置的主要功能是调整光束入射方向，确保激光束尽可能平行入射。能量调节器负责控制照射至硅片上的光能量，避免曝光不足或过度导致的成像质量下降。光束整形装置能够根据需要，将光束调整为圆形、环形等形状，以改变光的特性。遮光装置则用于在不需要曝光时阻挡光束，防止其照射到硅片上。能量监测器负责检测光束的最终入射能量是否符合曝光标准，并向能量调节器提供反馈进行调整。

掩模版是一块刻有电路设计图的玻璃板，其价格通常高达数十万元。掩模版由掩模台支撑，掩模台的运动控制精度可达纳米级。下方的物镜用于补偿光学误差，并将电路图按光学系统特性等比例缩小。硅片基底是由硅晶制成的圆形基片，尺寸多样，且尺寸越大，生产效率越高。根据硅片上缺口形状的不同，硅片通常分为flat型和notch型两种。