半导体设备（03） 光刻机
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光刻是将电路图形从掩膜版上转移至硅片上的工艺流程 ， 其过程利用光刻机所发出的光线 ， 将涂有光敏材料（光刻胶）的晶圆进行曝光处理 ， 光刻胶遇见光照后会发生特性变化 ， 经过显影液显影后将掩膜版上的图形转移到晶圆上来 ， 从而在晶圆上实现微观电路图形的特性 。
光刻机分类
按工作原理分类：
根据工作原理进行分类 ， 按照光刻时是否使用掩膜 ， 将光刻机分为掩膜光刻以及无掩膜光刻 。 其中 ， 掩膜光刻包含接触式光刻机、接近式光刻机和投影式光刻机；无掩膜光刻包含激光直写光刻机、纳米压印光刻机等 。
1. 掩膜光刻机：
接触式光刻机把掩膜版压在涂有光刻胶的晶圆上 。 优点：设备简单 ， 分辨率高 ， 没有衍射效应 。 缺点：成品率低 ， 容易造成晶圆和掩膜版的污染 ， 不适合大规模生产 。
接近式光刻机在曝光时通过把掩膜位置提高来解决容易损坏和污染的问题 。 缺点：由于气垫的音响 ， 影响成像精度 。
投影式光刻机采用透镜成像的原理把掩膜上的图形转移到晶圆上 ， 避免掩膜和晶圆的物理接触 。 投影方案精度高 ， 可重复性好 ， 实用性强 。
扫描投影式光刻使用一倍掩膜版 ， 掩膜图形与晶圆尺寸1:1曝光 。 曝光过程中光源不移动 ， 掩膜和晶圆同时向相反方向移动 ， 从而完成一次光刻过程 。 曝光区域从整个晶圆变为一块矩形区域 ， 掩膜图形与晶圆实际图形的比例大于1:1 。 完成一个曝光区域后 ， 可通过步进器来调整晶圆位置来重复进行下一个区域的曝光 。
步进扫描方式光刻的运动包含步进和扫描两种运动 。 扫描运动中 ， 掩膜台和硅片台反向运动 ， 完成一个区域的曝光 。 步进运动中 ， 通过步进器移动硅片台的曝光位置从一个区域移动下一个区域 。 具有高精度和均匀性 。
2. 无掩膜光刻机：
利用电子束/离子束或激光直接投到基片表面的抗蚀剂上 ， 不需要掩膜进行曝光 。 直写光刻虽然具有高分辨率和图形灵活的优点 ， 但速度慢 ， 即便是多波束设备其速度还是不适合大批量生产 。 但电子束和激光直写可用于掩膜版的生产 ， 以及纳米级的科学研究 。
纳米压印技术通过使用带有微纳结构图案的模板印章 ， 将图案物理地压印到涂有聚合物材料的衬底上 ， 从而实现纳米级图案的复制 。 纳米压印还存在结构均匀性 ， 缺陷率控制 ， 模版寿命 ， 以及图形转移缺陷控制等挑战 。
按光源分类：
光源是光刻机的核心构成之一 ， 其波长决定了光刻机的工艺能力 。 光刻机根据光源不同可分成紫外（UV）光刻机、深紫外（DUV）光刻机、极紫外（EUV）光刻机三类 。 根据其工作原理不同也从接触式发展到当今的浸没步进式投影和极紫外光刻机 。
1. 紫外光刻机：采用汞灯 ， 从g-line到l-line ， 波长从436nm至365nm ， 制程节点为800-250nm；
2. 深紫外光刻机：采用准分子激光 ， 从KrF到ArF/ArFi ， 对应波长为248nm-134nm ， 制程节点为180nm-7nm；
3. 极紫外光刻机：是下一代光刻技术的一种 ， 在7nm以下的最高端工艺上都会采用EUV光刻机 。
光刻机的关键参数
光刻机中重要的性能参数主要有：分辨率、焦深、套刻精度、产率、视场、线宽均匀、MTF（调控传递函数）、掩膜版误差因子等 。 而核心参数为分辨率、焦深和套刻精度 。 其中 ， 分辨率与光刻机的最小精度相关联 ， 焦深对光刻机成像范围有影响 ， 套刻精度则决定了工艺层是否套叠对准 。 因此 ， 这三个技术指标被视为光刻机最重要的三个因素 。
分辨率： 光刻机的分辨率是指光刻机在光刻过程中能够区分并复制最小尺寸图案的能力 。 它是衡量光刻机性能的关键指标之一 ， 直接决定了光刻机能制造的最小特征尺寸 ， 比如线宽或间距 。 分辨率越高 ， 光刻机能够制造的图案就越精细 。
（艾里斑与分辨率极限）
焦深： 光刻机的焦深（Depth of Focus DOF）指的是在保持成像质量满足要求的前提下 ， 曝光系统允许的离焦范围 。 具体来说 ， 焦深是指在焦点周围一个范围内 ， 图像能够连续保持信息 ， 相当于照相机的景深 。 在焦深范围内 ， 曝光成像的质量可以得到保证 。 为了保证光刻工艺的良率 ， 曝光时的焦深必须远大于晶圆表面的不平整度 。
【半导体设备（03） 光刻机】
（焦深示意图）
套刻精度： 光刻机的套刻精度（Overlay Accuracy）是指是在多层光刻工艺中 ， 新曝光层与之前层的图形对准的精确度 。 套刻精度对于保证芯片的性能和良率至关重要 ， 因为任何对准偏差都可能导致电路连接错误或器件失效 。 实现高精度套刻的关键在于光刻机的对准系统 ， 它包括掩膜的预对准和定位、晶圆的预对准、掩膜工件台与晶圆工作台之间的对准、以及掩膜与晶圆的精确对准等多个步骤 。
导致套刻误差的来源大致可分为晶圆、光刻机、掩膜与环境四类 。 目前普遍采用物理修正来修正套刻误差 ， 提高套刻精度 。
光刻机的其他参数指标还包括由光学系统决定的视场、调控传递函数 ， MTF、掩膜版误差因子和线宽均匀性等 ， 以及由机械系统决定的产率 。 这些指标在衡量光刻机的精确度 ， 经济性时均具有重要意义 。
免责申明：全文转自微信公众号 半导体农夫 华芯。 感谢原文作者的贡献 ， 仅用于学习和普及 。 如有侵权 ， 请联系删除 。
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