光刻工藝的基本步驟 ***的整體結(jié)構(gòu)圖

***是生產(chǎn)芯片最核心的設(shè)備，技術(shù)難度非常高。目前全球90%以上的***市場(chǎng)都被荷蘭、日本占據(jù)為什么這個(gè)領(lǐng)域這么難做？本篇將從光刻技術(shù)和***兩大部分來(lái)共同探索，一束光的旅程究竟有多復(fù)雜？

光刻技術(shù)

成就摩爾定律的追光之旅

光刻技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是利用光化學(xué)反應(yīng)原理，在特定波長(zhǎng)光線的作用下，把想要的圖形刻蝕到到晶圓上的過(guò)程，因此也叫光刻蝕工藝。它的思想來(lái)源于歷史悠久的印刷技術(shù)，不同的是，制造芯片所使用的光刻技術(shù)使用的是光而不是墨水。

▲光刻工藝的基本步驟

光刻技術(shù)的核心其實(shí)是圍繞兩個(gè)定律

摩爾定律

由英特爾的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出。芯片的基本元件是晶體管，晶體管越多，芯片的運(yùn)算速度越快。摩爾定律是指，每隔兩年，同樣大小的芯片里面的晶體管的數(shù)量就會(huì)增加一倍，性能也增加一倍。

這就要求芯片內(nèi)部制造得越來(lái)越精細(xì)，如今先進(jìn)工藝制程的兩個(gè)起點(diǎn)之間只能有幾納米的距離了。（1nm約為頭發(fā)絲直徑的的五萬(wàn)分之一）

如此精細(xì)的產(chǎn)品，便需要用放大的思想來(lái)制造。傳統(tǒng)的放大方法——杠桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足納米級(jí)精度的“雕刻”。因此人們想到了用光來(lái)放大，原理類(lèi)似我們常見(jiàn)的投影機(jī)。***的核心就是將光通過(guò)一個(gè)可以放大的透光的模子，照射到硅片上，從而印出想要的形狀，也就是芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

瑞利判據(jù)

Rayleigh Criterion?

光刻技術(shù)對(duì)光源有著極為苛刻的要求。這就涉及到第二個(gè)原理——瑞利判據(jù)

▲瑞利判據(jù)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。瑞利判據(jù)中，λ為光源波長(zhǎng)、ΝΑ為數(shù)值孔徑、k?為光刻工藝系數(shù)，三者共同決定投影式***分辨率CD。

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更短光源波長(zhǎng)λ

▲縮短光源波長(zhǎng)

根據(jù)公式可以看出，***的分辨率與光源波長(zhǎng)成正比，想要制造出更小的尺寸，就需要縮短光源的波長(zhǎng)，這也是***世代演變的核心。***歷經(jīng)五代，波長(zhǎng)從436nm縮小約30倍，達(dá)到13.5nm，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)從μm級(jí)升級(jí)到最先進(jìn)的3nm，光源波長(zhǎng)的縮短支撐了摩爾定律的發(fā)展。

▲芯片工藝節(jié)點(diǎn)與光源波長(zhǎng)的關(guān)系

20世紀(jì)六七十年代，集成電路產(chǎn)業(yè)制造初期采用接觸式光刻技術(shù)，以可見(jiàn)光作為光源；80年代廣泛應(yīng)用接近式光刻技術(shù)，并改用高壓汞燈產(chǎn)生的紫外光（UV），g線和i線是紫外光中能量較高的譜線，365nm的i-line可將最高分辨率推動(dòng)至220nm；80年代中期，IBM/Cymer等公司開(kāi)始研發(fā)深紫外（DUV）準(zhǔn)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***是目前應(yīng)用最廣泛的一代。隨著工藝節(jié)點(diǎn)發(fā)展到7nm及以下，20世紀(jì)初期產(chǎn)業(yè)聯(lián)合研發(fā)第五代EUV***，使用13.5nm的極紫外光，比DUV短14倍以上。

▲光刻光源世代演變

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增大NA：物鏡直徑↑+浸沒(méi)式光刻

▲提高數(shù)值孔徑NA

光源演進(jìn)到ArF（193nm）時(shí)，下一代光源推進(jìn)速度放緩，巨頭們開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向提高數(shù)值孔徑NA，并出現(xiàn)了F2（光源演進(jìn)）與ArF+immersion（增大NA）的路線之爭(zhēng)。

物鏡的數(shù)值孔徑NA= n*sinθ，其中 n 為介質(zhì)折射率， θ 為鏡頭聚焦至成像面的角度。

▲光線通過(guò)透鏡系統(tǒng)聚焦成像

增大NA的兩個(gè)方法：

1）增加投影物鏡的 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.55NA突破。

▲工藝節(jié)點(diǎn)與光源波長(zhǎng)及NA的關(guān)系

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縮小k?：突破物理極限

光照條件的設(shè)置、掩模版設(shè)計(jì)以及光刻膠工藝等因素對(duì)分辨率的影響都反映在k?因子中，k?因子也常被用于評(píng)估光刻工藝的難度，ASML認(rèn)為其物理極限在0.25，k?體現(xiàn)了各家晶圓廠運(yùn)用光刻技術(shù)的水平。

分辨率增強(qiáng)技術(shù)（RET）是指對(duì)掩模和光照系統(tǒng)做改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)最大共同工藝窗口，從而提高分辨率。常見(jiàn)方法包括離軸照明、光學(xué)鄰近校正、移相掩模、添加亞分辨率輔助圖等，通過(guò)改變掩模的振幅（OPC法）或相位（PSM法），調(diào)整光源入射角度（OAI法）等提高分辨率、增加焦深、改善圖形質(zhì)量，此外也可以用多重曝光技術(shù)實(shí)現(xiàn)超越***理論分辨率的精度。

▲部分典型的分辨率增強(qiáng)技術(shù)

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瑞利第二公式DoF = k?λ/NA2

焦深DoF限制了NA的無(wú)限擴(kuò)大。焦深是指硅片沿光路移動(dòng)時(shí)，能保持曝光成像質(zhì)量的距離，焦深越大層間誤差越小。隨著光源波長(zhǎng)逼近極限，目前降低分辨率的主要方法為增大數(shù)值孔徑，但需要和DoF折中考慮。

在瑞利公式的指導(dǎo)下，人類(lèi)在縮短波長(zhǎng)λ，增大數(shù)值孔徑NA，降低工藝因子k?三個(gè)方面不斷探索和突破極限。為實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的制程微縮，業(yè)界又在曝光工藝方面極盡智慧。初代***采用接觸式或接近式，無(wú)法兼顧掩模版壽命與分辨率。1973年，美國(guó)Perkin Elmer率先推出第一臺(tái)投影式***，投影式***既能避免污染又能實(shí)現(xiàn)倍縮，迅速替代傳統(tǒng)接近接觸式，成為市場(chǎng)主流。

▲不同曝光技術(shù)示意圖

▲三類(lèi)曝光方式的優(yōu)劣對(duì)比

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?“多重曝光”

實(shí)現(xiàn)制程微縮的另一個(gè)重要手段是“多重曝光”，即將原本一層光刻的圖形拆分到多個(gè)掩模上，利用光刻Litho和刻蝕Etch實(shí)現(xiàn)更小制程。常見(jiàn)的技術(shù)有雙重曝光（DE）、固化雙重曝光（LFLE）、雙重光刻（LELE）、三重光刻（LELELE）、自對(duì)準(zhǔn)雙重成像（SADP）、連續(xù)兩次SADP（SAQP）等。

▲LELE雙重光刻工藝示意圖

需要注意的是，盡管多重曝光可以做成更先進(jìn)的制程，當(dāng)制程微縮至10nm及以下時(shí)，浸沒(méi)式DUV多重曝光的工藝復(fù)雜度急劇上升。

比如，多次LE或SADP可以實(shí)現(xiàn)7nm制程，但多重曝光技術(shù)提高了對(duì)刻蝕、沉積等工藝的技術(shù)要求并且增加了使用次數(shù)，使晶圓光刻成本增加了2-3倍。

此時(shí)，相較多重曝光，EUV能降低15%-50%的成本，縮短3-6x的周期時(shí)間，使產(chǎn)品更快量產(chǎn)。而對(duì)于5nm制程，浸沒(méi)式DUV難以實(shí)現(xiàn)且不具備經(jīng)濟(jì)效益。

▲不同節(jié)點(diǎn)采用浸沒(méi)式DUV進(jìn)行多重曝光的工藝復(fù)雜度

***

Mask?

Aligner

挑戰(zhàn)全人類(lèi)文明的極限

上一部分我們了解到光刻技術(shù)的核心原理和實(shí)現(xiàn)手段，想要進(jìn)行光刻就得上機(jī)器了。***的技術(shù)水平很大程度上決定了集成電路的發(fā)展水平。先進(jìn)制程芯片（14nm以下）需要進(jìn)行20-30次光刻，光刻工藝的耗時(shí)可以占到整個(gè)晶圓制造時(shí)間的40%-50%，費(fèi)用約占芯片生產(chǎn)成本的1/3。

荷蘭最新一代EUV***造價(jià)1.5億美元，約合人民幣近10億，整個(gè)機(jī)器包含10萬(wàn)個(gè)部件和2公里長(zhǎng)的電纜，有公共汽車(chē)大小，重達(dá)200噸左右。國(guó)內(nèi)上海微電子90nm的干法DUV***，包括13個(gè)分系統(tǒng)，3萬(wàn)個(gè)機(jī)械件，200多個(gè)傳感器。

如此龐然大物內(nèi)部構(gòu)造是怎樣的呢？

整臺(tái)***主要包括光源系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、投影物鏡系統(tǒng)、雙工件臺(tái)系統(tǒng)、以及傳輸系統(tǒng)（光罩+晶圓）、調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)、對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)等；同時(shí)需要極嚴(yán)苛的環(huán)境控制、整機(jī)控制以及整機(jī)軟件分析系統(tǒng)。***性能的三大評(píng)價(jià)指標(biāo)是分辨率（CD）、套刻精度（overlay）、和產(chǎn)率（throughput，wph）?？梢哉f(shuō)***的每一部分都在挑戰(zhàn)人類(lèi)工程的極限。

▲***的整體結(jié)構(gòu)圖

※

***的演進(jìn)主要分為以下幾個(gè)階段

1）UV***：用于0.25微米及以上制程節(jié)點(diǎn)，UV為紫外光，光源類(lèi)型包括g-line、i-line等。

2）干式DUV***：可用于65nm-0.35μm制程節(jié)點(diǎn)，干式DUV是指在光刻過(guò)程中使用干式透鏡和深紫外線光源，該技術(shù)在20世紀(jì)90年代初得到了廣泛應(yīng)用。

3）浸入式DUV***：可用于7nm-45nm制程節(jié)點(diǎn)，隨著芯片制造技術(shù)對(duì)先進(jìn)制程的需求持續(xù)增加，干式DUV***已無(wú)法滿足其精度要求。浸入式DUV***通過(guò)把物鏡與晶圓之間的填充由空氣改變?yōu)樗?，進(jìn)而獲得更高的數(shù)值孔徑（NA），使***具有更高的分辨率與成像能力。

4）Low-NAEUV***：用于3nm-7nm制程節(jié)點(diǎn)，EUV為極紫外光，該光源的波長(zhǎng)較此前光源明顯減小，顯著提升***的分辨率。

5）High-NAEUV***：用于3nm以下制程節(jié)點(diǎn)，High-NA是指高數(shù)值孔徑（0.33→0.55），是下一代***技術(shù)，將在已有EUV基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高分辨率與成像能力，從而實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)制程的生產(chǎn)。當(dāng)前該技術(shù)還在研發(fā)中。

▲***演進(jìn)示意圖

并且不是有***就“大功告成”，可以開(kāi)始“印芯片”了，***更像是中間執(zhí)行的環(huán)節(jié)，而在執(zhí)行前后，還需要很多同樣重要的工作，比如說(shuō)計(jì)算光刻和量測(cè)。

計(jì)算光刻指的是利用各種物理，化學(xué)和數(shù)學(xué)模型去計(jì)算模擬真實(shí)光刻發(fā)生的過(guò)程和結(jié)果。通過(guò)修改各種參數(shù)，尋找最優(yōu)的參數(shù)組合來(lái)修正掩膜板的圖形和光源形狀，來(lái)提升光刻的質(zhì)量。這種模擬仿真的思路類(lèi)似造飛機(jī)的時(shí)候需要經(jīng)過(guò)很多次的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，都通過(guò)之后才能進(jìn)行真正的試飛，否則既危險(xiǎn)又成本高昂。計(jì)算光刻已經(jīng)成為現(xiàn)代光刻技術(shù)研發(fā)的核心和最重要的環(huán)節(jié)之一。

▲集成電路制造主要流程

量測(cè)就是進(jìn)行芯片的缺陷檢測(cè)，判斷芯片是否合格。一個(gè)晶圓的制作可能包含近百次的曝光，由于每次曝光的間隔都需要對(duì)晶圓進(jìn)行移動(dòng)調(diào)整，為了保證移動(dòng)的穩(wěn)定和精準(zhǔn)，避免出現(xiàn)小至幾納米的誤差導(dǎo)致芯片報(bào)廢，就需要不斷的對(duì)晶圓在納米尺度做量測(cè)，并且實(shí)現(xiàn)校正和結(jié)果的反饋，從而不斷的提升良率。

量測(cè)主要有兩種方法：基于衍射的光學(xué)量測(cè)和電子束量測(cè)。其中基于衍射的光學(xué)量測(cè)用來(lái)評(píng)估晶圓電路圖案的質(zhì)量，而電子數(shù)量測(cè)則是用來(lái)定位和分析單個(gè)芯片的缺陷。在一個(gè)光刻系統(tǒng)中，這兩種量測(cè)的方法通常是同時(shí)使用。

審核編輯：黃飛