說(shuō)一說(shuō)光刻機(jī)的那些事兒

面對(duì)四月份美國(guó)對(duì)中興芯片禁運(yùn)事件，我們體會(huì)到被別人拿住軟肋、受制于人的痛楚，而生產(chǎn)高性能芯片必須的關(guān)鍵設(shè)備就是光刻機(jī)，今天我們就來(lái)說(shuō)一說(shuō)光刻機(jī)的那些事兒。

光刻機(jī)（MaskAligner），又名掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)、曝光系統(tǒng)、光刻系統(tǒng)等，其中掩模對(duì)準(zhǔn)光刻法是比較常用的光刻機(jī)，本文搜集整理的資料和例證主要以掩模對(duì)準(zhǔn)光刻機(jī)為主。

光刻機(jī)的分類(lèi)

高端的投影式光刻機(jī)可分為步進(jìn)投影和掃描投影光刻機(jī)兩種，分辨率通常在十幾納米至幾微米之間，高端光刻機(jī)號(hào)稱(chēng)是世界上最精密的儀器，高端光刻機(jī)堪稱(chēng)現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花，其制造難度大，目前全球只有少數(shù)幾家公司能夠制造。

國(guó)外品牌的光刻機(jī)主要以荷蘭ASML（光刻機(jī)鏡頭來(lái)自德國(guó)）、日本Nikon和日本Canon三大品牌為主。國(guó)內(nèi)的光刻機(jī)主要是上海微電子裝備股份有限公司SMEE研制的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的投影式中端光刻機(jī)，目前該公司的光刻機(jī)已經(jīng)初步形成產(chǎn)品系列，開(kāi)始在海內(nèi)外銷(xiāo)售。

生產(chǎn)和研發(fā)用的低端光刻機(jī)為接近、接觸式光刻機(jī)，分辨率通常在數(shù)微米以上，主要是德國(guó)、美國(guó)和中國(guó)的產(chǎn)品品牌。

光刻機(jī)性能指標(biāo)

光刻機(jī)的主要性能指標(biāo)是支持基片的尺寸范圍、分辨率、對(duì)準(zhǔn)精度、曝光方式、光源波長(zhǎng)、光強(qiáng)均勻性、生產(chǎn)效率等“硬性”指標(biāo)。

1）分辨率是指光刻加工工藝可以達(dá)到的最細(xì)線條精度。光刻的分辨率主要受到光源衍射極限的限制，也就是說(shuō)受我們所說(shuō)的阿貝極限（光學(xué)顯微鏡的分辨率極限約是可見(jiàn)光波長(zhǎng)的一半）的限制。推而廣之，光刻機(jī)的分辨率也就受到光刻光學(xué)系統(tǒng)、光刻膠和光刻工藝等方面的限制。

2）對(duì)準(zhǔn)精度是在多層曝光時(shí)層間圖案的定位精度。

掩膜對(duì)準(zhǔn)光刻機(jī)光刻流程

一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗、烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。最初的工序是用光來(lái)制作一個(gè)掩模版，然后在硅片表面均勻涂抹光刻膠，將掩模版上的圖形或者電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移復(fù)制到硅片上，然后通過(guò)光學(xué)刻蝕的方法在硅片上刻蝕出已經(jīng)“復(fù)制”到硅片上的內(nèi)容。

曝光系統(tǒng)

曝光系統(tǒng)是光刻機(jī)的核心部件之一，為了盡量減小衍射極限的限制，曝光系統(tǒng)大量采用紫外、深紫外和極紫外光做光源，比如汞燈、準(zhǔn)分子激光器。曝光系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)平滑衍射效應(yīng)、實(shí)現(xiàn)均勻照明、濾光和冷光處理、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)光照明和光強(qiáng)調(diào)節(jié)等功能。曝光方式分為接觸接近式、投影式和直寫(xiě)式。但總體來(lái)說(shuō)，曝光系統(tǒng)所采用的光源必須滿(mǎn)足如下的要求：

1）適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)

波長(zhǎng)越短，光刻的刀鋒越鋒利，可以用于刻蝕的特征尺寸就越小，刻蝕過(guò)程對(duì)精度的控制更好。

2）有足夠的能量

能量越大，每一次刻蝕中所花費(fèi)的曝光時(shí)間就越短。

3）能量必須均勻地分布在曝光區(qū)

曝光區(qū)域的光的均勻度或者平行度越高，硅片上的刻蝕痕跡的深度和寬度更加趨于一致，刻蝕精度更高、更易于控制。

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)是光刻機(jī)另一個(gè)核心的部件，制造高精度的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)需要具有近乎完美的精密機(jī)械工藝，這也是全球的光刻機(jī)技術(shù)難點(diǎn)，許多美國(guó)品牌和德國(guó)品牌的光刻機(jī)具有特殊專(zhuān)利的機(jī)械工藝設(shè)計(jì)，比如可以有效避免軸承機(jī)械摩擦誤差的全氣動(dòng)軸承設(shè)計(jì)專(zhuān)利技術(shù)。

當(dāng)然，顯微光學(xué)系統(tǒng)和CCD探測(cè)器是光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的另一個(gè)難題。根據(jù)操作的簡(jiǎn)便性和精度的高低，光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)方式可以分為手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)三種。

篳路藍(lán)縷以啟山林

“一萬(wàn)年太久，只爭(zhēng)朝夕”，為了縮短我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)光刻技術(shù)的差距，打破國(guó)際高端光刻機(jī)市場(chǎng)的壟斷和限制，我國(guó)的 “02專(zhuān)項(xiàng)”（《極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)及成套工藝》項(xiàng)目）的規(guī)劃中就已經(jīng)確定了研制高端光刻機(jī)的戰(zhàn)略目標(biāo)，將極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)列入“32-22nm裝備技術(shù)前瞻性研究”的重要攻關(guān)任務(wù)，長(zhǎng)春光機(jī)所、成都光電所、上海光機(jī)所、微電子所、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等研究單位一起進(jìn)行攻關(guān)。