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半导体制造装备系列(1)-光刻机
光刻机目今对我国的战略意义 ，似乎不亚于大都个世纪前原子弹的战略意义。以至于网络上泛起了诸多类似于“光刻机和原子弹哪个更难造”的讨论。半导体工艺推动了现代社会的科技前进 ，而光刻机则是半导体工业中的“皇冠”。
一、光刻机的原理：
光刻是指光刻胶在特殊波长光线或者电子束的作用下爆发化学转变 ，通事后续曝光、显影、刻蚀等工艺历程 ，将设计在掩膜版上的图形转移到衬底上的图形细腻加工手艺。激光器作为光源发射光束 ，经由光路调解后 ，光束穿透掩膜版及镜片 ，经物镜赔偿光学误差 ，将图形曝光在带有光刻胶的硅晶圆上 ，然后显影在硅片上。
图1. 光刻机结构示意图
光刻行业的要害定理—瑞利公式：CD=k1*(λ /NA)。CD 为要害尺寸(Critical Dimension) ，λ代表光源波长 ；k1是工艺相关参数 ，一样平常多在0.25到0.4之间 ；NA(Numerical Aperture)被称作数值孔径 ，是光学镜头的一个主要指标 ，一样平常光刻机装备都会明确标注该指标的数值。为了降低 CD ，实现更为细腻的加工尺寸 ，有三种方法：(1) 降低光源的波长λ ；(2) 提高镜头的数值孔径 NA ；(3) 降低综合因素 k1。
光刻机的另外一个主要参数是套刻精度(Overlay Accuracy)。其基本寄义是指前后两道光刻工序之间相互图形的瞄准精度(3σ) ，若是瞄准的误差过大 ，就会直接影响产品的良率。关于高阶的光刻机 ，一样平常装备供应商就套刻精度会提供两个数值 ，一种是单机自身的两次套刻误差 ，另一种是两台装备（差别装备）间的套刻误差。
二、光刻机的分类：
图2. 光刻机生长历程
光刻机生长至今 ，已履历了5代产品的迭代。在1985年之前 ，第一代光刻机光源以436nm的g-line汞灯光源为主 ，只适用于5μm以上制程 ；之后泛起了365nm的i-line汞灯光源的第二代光刻机 ，制程精度来到了350-500nm。第一二代均为接触/靠近式光刻机。第三代为扫描投影式光刻机 ，光源刷新为248nm的KrF氟化氪准分子深紫外光源(DUV:Deep Ultraviolet Light) ，实现了跨越式生长 ，将最小工艺推进至150-250nm ；第四代为步进式投影式光刻机 ，接纳193nm波长的ArF氟化氩准分子激光光源 ，可实现制程推进到了65-130nm ，在此基础上又实现了浸入步进式投影式光刻机(ArFi光刻, i代表immersion)：所谓浸入手艺 ，就是让镜头和硅片之间的空间浸泡于液体之中。由于液体的折射率大于1 ，使得激光的现实波长会大幅度缩小。现在主流接纳的纯清水的折射率为1.44 ，以是ArF加浸入手艺现实等效波长=193nm/1.44=134nm ，从而实现更高的区分率。
凭证这个生长思绪 ，那么下面应该就是接纳波长更短的准分子激光器 ，实现更高区分率 ；贔2(氟)准分子激光器成为了潜在选手 ，其波长为157nm。然而F2准分子激光器在叠加浸入式的时间泛起了问题 ，由于在157nm波长下水是不透明的液体 ，无法通过浸入式来进一步降低波长 ，因此需要寻找新的生长偏向。第五代为EUV(Extreme Ultraviolet, 极紫外)光刻机 ，选取了新的计划来进一步提供更短波长的光源。现在主要接纳的步伐是将准分子激光照射在锡等靶材上 ，引发出13.5nm的光子 ，作为光刻机光源。ASML 现在其是全天下唯逐一家能够设计和制造EUV光刻机装备的厂商。
三、光刻机的工业链：
光刻机工业链主要包括上游焦点组件及配套装备、中游光刻机生产及下游光刻机应用三大环节。光刻机手艺极为重大 ，在所有半导体制造装备中手艺含量最高。主要涉及系统集成、细密光学、细密运动、细密物料传输、高精度微情形控制等多项先进手艺 ， 生产一台光刻机往往涉及到上千家供应商 ，好比德国的光学装备与超细密仪器 ，美国的计量装备与光源等 ， 主要组件包括双事情台、 光源系统、 曝光系统、浸没系统、 物镜系统、光栅系统等 ，配套设施包括光刻胶、掩膜版、涂胶显影等。
图3. 光刻机工业链
光刻机中最焦点组件是光源和镜头。以ASML为例 ，其镜头供应商为德国蔡司 ，光源供应商为美国 Cymer(已被ASML收购）和日本 Gigaphoton ，其中 EUV 光刻机光源由 Cymer 独家供应。
镜头：当波长抵达EUV波段时 ，绝大大都质料都不具有优异的透射特征 ，DUV类似的透射光学系统将不再适用。因此EUV及以后的更短波长光刻机基本都只能做反射系统。然而 ，现实天下中没有任何质料可以在单层中反射大部分 EUV 光。然而多层则可以增强相互的反射 ，于是业界探讨用这种方法制作相当高效的 EUV 反射镜来缩小和聚焦图像。而由钼(部分反射 EUV 光)和硅(对 EUV 大部分透明)交替纳米层制成的反射镜就成为了各人起劲的偏向。不过 ，这样的EUV 反射镜的制作极其重大 ，由于它们的外貌需要险些完善平滑和清洁 ，每个纳米层都需要具有准确界说的厚度。让每个原子都需要在准确的位置 ，不然可能会丧失光或图像可能会变形。
光源: 所谓EUV极紫外光 ，是指波长在10-100nm规模内的紫外线。然而 ，地球上是没有自然的EUV光源的 ，太阳光谱中的EUV部分会被大气层和臭氧层完全吸收 ，无法抵达地面 ，因此需要人工爆发EUV。人工爆发EUV主要有2个难点：首先 ，EUV 光很难以受控方法爆发。只有多重电离原子内壳中的引发电子才华发射 EUV。其次 ，EUV 光很容易被空气和其他气体吸收。这意味着光从爆发的那一刻到撞击硅片的那一刻 ，都必需穿过高质量的真空。这也意味着不可能构建“EUV 镜头”。相反 ，需要使用高度重大的曲面反射镜。古板的光掩模也会吸收过多的光 ，因此它也需要具有反射性。
图4. ASML、Nikon、Canon光刻机销售情形
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