今天我们要分享的知识继续半导体工艺及设备(二)：光刻技术和设备

前一篇我们讲述了晶圆片的制造过程，晶圆片是提供给光刻来进行图案制造的基材，像图纸一样，在上面画图。

这一篇我们讲解光刻技术和相关的设备。先介绍光刻机的基本原理和工艺过程，再来详细说明各种光刻机的特点和应用。

第一部分：光刻的工艺过程

光刻是将掩模版上的图形转移到涂有光致抗蚀剂（或称光刻胶）的硅片上，通过一系列生产步骤将硅片表面薄膜的特定部分除去的一种图形转移技术。

光刻技术是借用照相技术、平板印刷技术的基础上发展起来的半导体关键工艺技术。通俗易懂的说，集成电路制造，是要在几平方厘米的面积上，成批的制造出数以亿计的器件，而每个器件结构的也相当复杂，如下图所示，是一个看起来难以理清的芯片内部结构图。

这个制造密度，相当于在一根头发丝的横截面积上制造几十上百万个这样的晶体管。

想象一下照相的过程，物体反射的光线经过镜头，投影在底片上，然后底片上的感光材料发生变化，从而将物体“转移”到底片上，这是一个成像过程。

光刻也类似，如下图所示，光源发出的光线照射在掩模版上，出射的光线已经携带了掩模版上的图形信息。

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有图形的地方是透光的，没有图形的地方光线就被遮挡，也可以反过来，这样就可以在硅片（石英）上留下图形结构。

携带掩模版图形信息的光线照射在旋涂有感光材料（光刻胶）的基底上，这一过程称为曝光。

受到照射的位置光刻胶性质会发生改变，使其能够溶于碱性或者酸性溶液，这一过程称为显影。通过曝光和显影，掩模版上的图形就被转移到了光刻胶上，然后经过后续刻蚀或者薄膜淀积等工艺再将光刻胶上的图形转移到基底上。

第二部分：光刻设备

光刻机在1960年代就已经出现。 早期光刻技术不是特别难的东西，毕竟那时需要光刻的线宽，是微米级别 。所以光刻机也非常简陋，甚至当年英特尔直接把16毫米摄像机镜头拆了装上就能用。只有GCA，K&S和Kasper等很少几家公司有做生产过少量相关设备，那会儿光刻机压根算不上高科技设备，并不比照相机复杂多少。

但是，随着晶体管数量不断翻倍增加，曝光精度迅速从几微米到零点几微米以内，于是这些简陋的光刻机难以满足需求，问题越来越多。晶体管多了之后，互联就增加了很多，需要多层金属连接，金属层需要介质层上堆叠，需要不同的曝光的图形在介质层上布线，需要不同的光罩反复曝光，于是重复对准精度就成了一个大问题，就像盖楼一样，每一层必须上下对齐，不能盖着盖着盖斜了吧。在集成电路工艺里这个精度要求异常精确，达到了纳米级……

这时候，光刻机已经从早期的极其简陋的设备，变成目前集合精密光学，激光、流体物理、电磁、精密控制、机械加工、电子信息、电子电路、化学在内的等几十个学科的尖端技术于一体，是目前最精密最昂贵的工业设备，ASML高端型号的光刻机售价甚至超过1亿美金，堪比一架飞机。

早期光刻机叫Mask Aligner 意思为掩膜对准曝光，现在多用lithography这个词代称光刻机和光刻工艺，有时候工艺工程师们偷懒就简化为 “litho”。真正要称呼光刻机这个设备，一般工程师们习惯用光刻机的特性的单词来称呼各类型的光刻机，这种好处是是，专业人士一看就知道你说的是具体什么型号的光刻机，坏处是外行人一脸懵逼。

光刻机有很多种类型，但有时也很难用类型进行分类来区别设备，因为有些分类仅是在某一分类下的分类。下面列举一些主要的光刻机类型，并对每种类型的主要特点做一些简要说明。顺序按技术的逐步提高的方式排列，逐个了解，有助于对光刻技术的由浅入深的了解。

比如曝光式 Mask Aligner
接触式 Contact Photolithography
步进式 stepper Photolithography
扫描式 sacnner Photolithography
浸没式 Immersion
DUV/EUV光刻机
下面我们介绍每种光刻机的详细信息

掩膜对准曝光式Mask Aliger

曝光式Mask Aliger，是最直接的光刻应用方式。最简单的掩膜对准曝光可以是下图的“手动”设备，通过显微镜和手动调节可实现掩膜对准，再通过曝光来进行光刻功能。

而能实现自动生产的掩膜对准曝光机，就要复杂太多。如下图：

接触式Contact Photolithography

接触式光刻是使用掩模校准器光刻。掩模对准器有两个主要的工具结构:掩模固定器和晶圆夹头。掩模支架被加工成一个非常平坦的表面，光掩模通过真空固定在这个表面上。晶圆夹头，也被加工得很平，也通过真空来保持晶圆在适当的位置。这个工具在操作过程中可以保证两个部分的表面保持彼此平行。晶圆夹头可以向上移动到掩模支架上，以便使用可变力使晶圆与掩模接触。晶片卡盘的表面位置也可以调整为尽可能与掩模平面，以获得最佳效果;这就是所谓的楔形误差补偿。一旦晶圆片和掩模就位，就可以通过打开灯罩上的快门进行曝光。在灯罩内部有一个汞弧灯和相关的光学元件，它将允许一个选定的可控紫外波段暴露掩模和晶圆片。

下图形象的说明了三种不同的Mask Align方式，接触式Contact，接近式Proximity，投影式Projection。当然这几种方式各大有优点和缺点，也有各自适合应用的领域。

步进式stepper Lithography

步进式光刻是针对更为小更精细芯片，通过进步方式调整晶圆的位置，在一张晶圆上多次曝光。也称作Step and repleat System。

步进式光刻机的结构就相当复杂，如下图

扫描式sacnner Photolithography

投影光刻工具有两大类——扫描和步进重复系统。扫描投影印刷由Perkin-Elmer公司首创[1.5]，采用反射光学(即镜子而不是透镜)，当掩模和晶圆同时被狭缝移动时，将光从掩模上的狭缝投射到晶圆上。照射剂量由光的强度、狭缝宽度和扫描晶圆片的速度决定。这些早期的扫描系统使用来自汞弧灯的多色光，是1:1的，即掩膜和图像尺寸相等。步进重复相机(简称步进相机)一次曝光晶圆片的一个矩形部分(称为图像场)，可以是1:1或缩小。这些系统采用折射光学(即透镜)，通常是准单色的。两种类型的系统(图1-5)都能够进行高分辨率成像，尽管最高分辨率需要还原成像。

到70年代中期，扫描仪取代了接近打印，用于尺寸小于4至5 μm的器件。到20世纪80年代初，随着器件设计被推至2 μm以下，步进器开始占据主导地位。随着最小特征尺寸达到250纳米水平，步进器在整个20世纪90年代继续主导平版印刷。然而，到20世纪90年代初，Perkin-Elmer的继承者SVG Lithography引入了一种混合步进扫描方法。步进扫描方法使用正常步进场的一小部分(例如，25mm x 8mm)，然后在一个方向上扫描该场以暴露整个4 x还原掩模。然后将晶圆片移到新的位置，重复扫描。较小的成像场简化了镜头的设计和制造，但代价是更复杂的光圈和晶圆台。步进扫描技术是当今250nm以下制造的首选技术。

浸没式Immersion Lithography

浸没式光刻是一种光刻增强技术，它用折射率大于1的液体介质代替最终透镜元件与光刻胶表面之间通常的气隙。液体中较小的波长允许对较小的特征进行成像，目前使用水作为液体。

浸入式技术是卡尔蔡司在19世纪80年代首次引入用来提高光学显微镜的分辨能力。20世纪80年代，人们将浸入式技术引入现代光刻技术。2002年以后，浸没式Immersion发展速度令人难以置信地快。

DUV/EUV光刻机

分辨率是可以在适当控制下打印的最小特征，它有两个基本限制：可以投射到晶圆上的最小图像，以及光刻胶利用该图像的分辨率能力。在投影成像方面，分辨率由成像光的波长(λ)和投影透镜的数值孔径(NA)根据瑞利准则决定。

光刻系统已经从蓝色波长(436nm)发展到紫外（UV:UtraViolet，365nm)，再到深紫外(DUV:Deep UltrViolet，248nm)，再到今天主流的高分辨率波长193nm。随着投影工具及其他各项技术的发展，利用DUV技术可以生产尺寸小于100纳米的特征。近年来利用重叠偏移技术，DUV技术也不断进步，生产能力不断下降到50纳米，28纳米，甚至7纳米。