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光刻机的工作原理
掩模对准器的类型
中国光刻机的发展现状

光刻机是半导体领域不可缺少的设备。无论生产制造什么样的芯片，都离不开光刻机。如果说aero 空发动机代表了人类科技发展的顶级水平，那么光刻机就是半导体行业最耀眼的明珠，它具有技术难度最高、单位成本最高、集成密度确定等特点。

今天我们就来学习一下面膜对准器。

光刻机的工作原理

在整个芯片制造过程中，几乎每一道工序都离不开光刻。光刻也是芯片制造中最关键的技术，占芯片制造成本的35%以上。

芯片的IC设计完成后，会委托晶圆代工厂进行芯片的制造和封装。

在芯片制造中，晶圆是必不可少的。硅棒是从石英砂等二氧化硅(SiO2)矿石中，通过一系列化学和物理熔炼方法提纯出来，然后切割成圆形单晶硅片，称为硅片。

从硅棒上切下的晶片

晶圆是制造各种电脑芯片的基础。我们可以把芯片制造比作用积木盖房子，通过一层又一层的堆叠，完成想要的形状(也就是各种芯片)。但是，如果没有好的地基，建起来的房子就会歪歪扭扭，不尽人意。为了做出一个完美的房子，需要一个稳定的基板。对于芯片制造，该衬底是晶片。

光刻是一种精密的微加工技术。常规光刻技术是利用波长为2000 ~ 4500埃的紫外光作为图像信息载体，以光刻胶作为中间(图像记录)介质，实现图形的转换、转移和处理，最终将图像信息转移到晶片(主要是硅片)或介质层上的工艺。

光刻技术是制造芯片制造所需的电路和功能区域。简单来说，芯片设计师设计的电路和功能区被“打印”到晶圆上，类似于用相机拍照。相机拍的照片印在底片上，而光刻的不是照片，而是电路图等电子元件。

就像原版空空如夜的大脑，只有通过光刻放入指令才能运行，电路图等电子元件都是芯片设计师设计的指令。

包括光刻、影印和蚀刻工艺。

光复印工艺：经曝光系统将预制在掩模版上的器件或电路图形按所要求的位置，精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层上。刻蚀工艺：利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。集成电路各功能层是立体重叠的，因而光刻工艺总是多次反复进行。例如，大规模集成电路要经过约10次光刻才能完成各层图形的全部传递。

光学复制技术是光刻机，刻蚀工艺是蚀刻机。

在光刻技术的原理下，人们制造了光刻机。掩膜版光刻机通过一系列光源能量和形状控制手段使光束透过带有电路图的掩膜版，通过物镜补偿各种光学误差，将电路图按比例缩小并映射到晶圆上。不同光刻机的成像比例不同，从5:1到4:1不等。然后通过化学显影得到刻在晶圆上的电路图(即芯片)。

一般来说，光刻工艺要经过硅片表面清洗干燥、打底、旋涂光刻胶、软烤、对准曝光、后烤、显影、硬烤、激光刻蚀等过程。已经光刻一次的芯片可以继续被涂覆和曝光。芯片越复杂，线路图层数越多，需要的曝光控制工艺越精确。现在有30层以上的高级芯片。

可以说，光刻决定了半导体电路的精度，以及芯片的功耗和性能，相关设备需要集成材料、光学、机电一体化等领域最先进的技术。

芯片内部结构

掩模对准器的类型

光刻机有很多种，根据用途可以分为几种:有用来生产芯片的光刻机；有包装用的光刻机；还有一种用于LED制造领域的投影掩模对准器。用于生产芯片的光刻机是中国半导体设备制造最大的短板。

因为光刻机是利用光德照射的投影方法，在涂有光刻胶的硅片上的掩膜上绘制大规模集成电路器件的结构图形，通过光的照射，光刻胶的成分发生化学反应，从而产生电路图。限制成品的最小尺寸直接关系到光刻系统所能获得的分辨率，降低照射光源的波长是提高分辨率最有效的方法。

最早的掩模光刻机采用接触式光刻，即掩模贴在硅片上进行光刻，容易产生污染，掩模寿命短。此后，邻近掩模对准器改进了接触掩模对准器。通过气垫在掩模和硅片之间产生小的空间隙，掩模和硅片不再直接接触。但由于气垫的影响，成像精度不高。

根据所用光源的改进和双工作台、浸没式光刻等光刻新技术的创新发展，光刻机通过经历了五代产品的发展，光源的每一次改进都显著提高了光刻机的工艺流程水平，以及生产效率和良率。

目前广泛使用的光刻机可以分为干式和浸没式。在45纳米以下的高端光刻机市场，ASML是目前市场的领导者，占据80%以上的市场份额。

目前，最先进的光刻机称为EUV光刻机。目前，华为麒麟990 5G版首次采用了7nm EUV技术。EUV技术也称为极紫外光刻，它使用波长为10-14 nm的极紫外光作为光源。具体来说，为了采用波长为13.4nm的紫外光，第1-4代光刻机使用的光源属于深紫外光，而第5代EUV光刻机属于极紫外光。

根据瑞利公式(分辨率=k1/NA)，这样短的波长可以提供极高的光刻分辨率。1985年前后，半导体行业的科学家们对EUV技术进行了理论探讨，并做了许多相关实验。

在摩尔定律的作用下，在当今科技飞速发展的信息时代，半导体行业的人们对半导体的未来发展充满了忧虑。因此，我们想通过新的光刻技术全面改善当前的芯片制造方法，推动半导体产业进入新的发展。

光刻机的龙头企业ASML于1999年开始研发EUV光刻机，原计划于2004年推出产品。但直到2010年，ASML才研发出第一台EUV原型机，2016年才实现下游客户供货，比预期晚了十几年。直到2019年，首款采用7nm EUV技术的芯片Exynos 9825才正式商用。

EUV光刻机上市时间表持续推迟主要有两个原因。第一，所需光源功率无法满足250W的工作功率要求。第二，光学透镜和反射镜系统对光学精度要求极高，生产难度极大。到2020年，手机主流旗舰芯片将采用EUV技术。

中国光刻机的发展现状

受《瓦森纳协定》的影响，《瓦森纳安排》要求成员国自行决定是否对敏感产品和技术发放出口许可证，并在自愿的基础上向其他成员国通报相关信息的安排。但“安排”实际上完全由美国控制。所以中国几年来一直无法获得最新的光刻机。直到2018年，SMIC花了1.2亿美元从荷兰顶级光刻机制造商ASML订购了一台最先进的EUV(极紫外)技术光刻机。

相比西方国家，中国一直是最缺乏半导体生态的，这也限制了光刻机的发展，中国。比如在国外，IC设计师和晶圆代工厂直接用光刻机进行技术交流和支持，从而形成完整的产业链，拥有完整的半导体生态。光刻机厂商可以生产出最符合IC设计者和晶圆代工厂的设备，而IC设计者和晶圆代工厂对光刻机厂商的技术对接和支持，促进了光刻机设备的技术发展。

例如，继中国台湾TSMC的林本建创造性地提出浸没式光刻的思想后，ASML开始与TSMC合作开发第四代浸没式光刻机，并于2007年成功推出第一台浸没式光刻机TWINSCANXT:1900i。该器件以深圳折射率为1.44的去离子水为介质，实现了45nm工艺技术，一举垄断市场。

结果，当时另外两大光刻巨头尼康和佳能大力推广的157nm光源干法光刻机被市场抛弃，不仅损失了巨大的人力物力，而且在产品线上明显落后于ASML，这也是尼康和佳能由盛转衰、ASML走向霸主的重要转折点。另一方面，它巩固了TSMC在晶圆代工领域的领先地位，使TSMC掌握了最先进的制造技术，促进了其发展。

中国市场没有这样的半导体生态。除了海思，全球上下游半导体厂商都不反哺产业链。2017年梁孟松加盟SMIC后，SMIC掌握了12nm制程技术，与TSMC仍有明显差距。

目前，上海微电子已在封装光刻机、LED光刻机等领域取得突破。公司的包装光刻机已在国内外市场广泛销售，国内市场占有率达80%，全球市场占有率达40%。而用于生产芯片的光刻机，目前只掌握了90nm的光刻机，上海微电子目前正在攻克45nm工艺技术。

上海微电子设备有限公司光刻机现场展示

至于国内的曝光，紫光超分辨率光刻机的研发成功实现了22nm工艺，结合多次曝光技术，可以用来制造10nm级别的芯片，这完全是一种误解。紫光超分辨率光刻机适用于特殊应用，类似的应用范围在光纤和5G天线领域，但不能应用于集成电路领域。

超分辨率光刻设备处理的4英寸光刻样品

为什么制造掩模对准器如此困难？光刻机需要尺寸小、功率高、稳定性好的光源。ASML的顶部光刻机使用的是短波长的极紫外光，其光学系统极其复杂，而光刻机中央的透镜由20多个大锅底的透镜串联而成。透镜可以用高纯度透明材料抛光。ASML镜头是蔡司技术的基础。需要几十年到上百年的技术积累才能让镜头均匀。有的德国镜片抛光工，祖孙三代，在同一家公司，职位相同。

有顶级的镜头和光源，没有极致的机械精度是没用的。光刻机有两个同步移动的工作台，一个用于底片，另一个用于胶片。两者都需要一直同步，误差小于2 nm。两个表是从静态到动态，加速度和导弹发射差不多。目前中国还缺乏这样的核心器件，需要从海外进口。

中科院院士刘明表示，虽然近年来我国在很多关于光刻机的领域都取得了进展，但总体来说，国内光刻机技术和国外技术还有15到20年的差距。

目前，中国在蚀刻机领域已经突破5nm，与世界其他国家的差距相等。我们也希望有一天我们可以利用我们在光刻机领域的后发优势，追求与世界其他国家的差距。