聊聊光刻機(jī)的原理、現(xiàn)狀與未來

光刻機(jī)是半導(dǎo)體制造過程中的關(guān)鍵設(shè)備，相當(dāng)于芯片制造工藝的“印刷機(jī)”，它的精度直接影響芯片的制程和性能。

根據(jù)不同光源類型，光刻機(jī)可以分為UV（紫外線）、DUV（深紫外線）和EUV（極紫外線）三大類。光刻機(jī)的分辨率主要由兩個(gè)參數(shù)決定：光源的波長(zhǎng)（λ）和物鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑（NA）。簡(jiǎn)單來說，波長(zhǎng)越短、數(shù)值孔徑越大，光刻機(jī)的分辨率就越高。

1、光刻機(jī)的核心原理：瑞利判據(jù)

光刻機(jī)的分辨率，即能在芯片上實(shí)現(xiàn)的最小特征尺寸，可以用瑞利判據(jù)（Rayleigh criterion）來表示：?CD =k1*λ/NA

在這個(gè)公式中：

CD 是線寬，即可以實(shí)現(xiàn)的最小特征尺寸。

λ 是光刻機(jī)光源的波長(zhǎng)。

NA 是物鏡的數(shù)值孔徑，代表鏡頭收集光的能力。

k? 是一個(gè)與芯片制造工藝相關(guān)的系數(shù)，目前最先進(jìn)的工藝可以將 k? 降到 0.25。

為了得到更小的線寬，半導(dǎo)體制造商會(huì)采用更短波長(zhǎng)的光源（λ），使用更大數(shù)值孔徑的物鏡（NA），并盡力降低 k?。

2、不同類型光刻機(jī)的區(qū)別

UV和DUV光刻機(jī)：UV光刻機(jī)使用的是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光源，如365nm的i線，而DUV光刻機(jī)采用波長(zhǎng)193nm的氟化氬（ArF）激光或248nm的氟化氪（KrF）激光。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)較短，所以DUV光刻機(jī)的分辨率比UV光刻機(jī)高得多。DUV光刻機(jī)按照光路介質(zhì)的不同，可以分為干式（Dry）和浸沒式（Immersion，縮寫為ArFi）。

EUV光刻機(jī)：EUV光刻機(jī)使用波長(zhǎng)為13.5nm的極紫外線光源，這是目前最先進(jìn)的光刻技術(shù)。由于波長(zhǎng)極短，EUV光刻機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更小的特征尺寸（如7nm、5nm甚至更小的制程節(jié)點(diǎn)）。EUV光刻機(jī)的光源和物鏡系統(tǒng)都極為復(fù)雜，制造難度和成本也非常高。

3、浸沒式光刻機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

浸沒式光刻機(jī)（ArFi）通過將物鏡與晶圓之間的空氣介質(zhì)替換為水，使光線在進(jìn)入晶圓時(shí)的波長(zhǎng)縮短，提高分辨率。水的折射率為1.44，而空氣的折射率為1。由于折射率的增加，193nm的ArF激光等效縮短為約134nm，提高了光刻的精度。

然而，浸沒式光刻機(jī)的物鏡數(shù)值孔徑NA必須提高到一個(gè)更高的水平。當(dāng)前國際主流的ArFi光刻機(jī)NA值可以達(dá)到1.35，而浸沒式的國產(chǎn)光刻機(jī)目前的NA值只有1.08。這就意味著在沒有提高物鏡本身NA的情況下，浸沒式光刻機(jī)的分辨率仍然無法與ASML等先進(jìn)廠商的產(chǎn)品相媲美。

4、國產(chǎn)光刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)最先進(jìn)的光刻機(jī)是干式ArF DUV光刻機(jī)，其NA值約為0.75，分辨率可以達(dá)到65nm。然而，國際主流的ArF光刻機(jī)NA值早已提升至0.93，能夠達(dá)到更小的特征尺寸。因此，國產(chǎn)光刻機(jī)在技術(shù)指標(biāo)上相對(duì)落后。

5、為了進(jìn)一步提升分辨率，國產(chǎn)光刻機(jī)需要進(jìn)行兩方面的改進(jìn)：

提高物鏡系統(tǒng)的NA：國內(nèi)已經(jīng)有科研單位正在攻關(guān)更高數(shù)值孔徑的物鏡系統(tǒng)，如北京的一家企業(yè)正在研發(fā)NA為0.85的物鏡，這將有助于提升分辨率。

完善浸沒式系統(tǒng)：浸沒式光刻機(jī)的關(guān)鍵在于水的使用。為了在物鏡和晶圓之間引入水，需要解決很多復(fù)雜的工程問題，如避免氣泡、控制水流均勻性和溫度等。ASML的技術(shù)演進(jìn)路線可供參考：

6、如何降低 k? 值

降低 k? 是提高光刻分辨率的另一種途徑。工程師們通過多種技術(shù)來降低 k?，包括：

防震動(dòng)：在曝光時(shí)減少晶圓和光罩的相對(duì)震動(dòng)，使曝光圖形更加精確。

減少無用反射：消除曝光時(shí)產(chǎn)生的不需要的反射，增加圖像的清晰度。

雙光束成像：包括偏軸式曝光（OAI）和移相光罩（PSM）兩種方法，通過干涉成像提高分辨率。

多重曝光（Multi-patterning）：通過多次曝光，將密集的圖案分解到多個(gè)寬松的光罩上，輪流曝光以提高分辨率。

雖然這些技術(shù)能夠有效降低 k?，但是它們的實(shí)現(xiàn)難度較大，對(duì)光刻機(jī)的套刻精度要求極高。目前國產(chǎn)ArF光刻機(jī)的套刻精度為8nm，尚不足以支持多重曝光的實(shí)現(xiàn)，這也是國產(chǎn)光刻機(jī)目前無法進(jìn)一步提升分辨率的主要限制。

7、光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn)

光刻機(jī)制造是一項(xiàng)高度復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括光源、物鏡、工件臺(tái)、控制系統(tǒng)等多個(gè)部分，每一個(gè)部分都需要極高的精度和技術(shù)積累。光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)的復(fù)雜性和高門檻導(dǎo)致目前全球只有少數(shù)幾家公司能夠生產(chǎn)高端光刻機(jī)，其中ASML處于絕對(duì)的領(lǐng)先地位。

國產(chǎn)光刻機(jī)起步較晚，在技術(shù)、人才、供應(yīng)鏈等方面與國際領(lǐng)先企業(yè)存在顯著差距。雖然近年來國家投入大量資金支持光刻機(jī)的研發(fā)，但光刻機(jī)的研制和產(chǎn)業(yè)化需要長(zhǎng)期的技術(shù)積累和工程實(shí)踐，無法一蹴而就。

8、展望與建議

國產(chǎn)光刻機(jī)的未來發(fā)展需要從以下幾個(gè)方面著手：

技術(shù)攻關(guān)：繼續(xù)提高物鏡的NA，提高光刻機(jī)的分辨率。同時(shí)，完善浸沒式光刻機(jī)的工程化。

產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同：加強(qiáng)與上下游企業(yè)的合作，推動(dòng)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈的完善，提高國產(chǎn)光刻機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。

人才培養(yǎng)：培養(yǎng)一批具有國際視野和專業(yè)技能的光刻機(jī)技術(shù)人才，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供智力支持。

胡工認(rèn)為，國產(chǎn)光刻機(jī)的發(fā)展任重道遠(yuǎn)，但并非沒有希望。在持續(xù)的技術(shù)投入和產(chǎn)業(yè)支持下，國產(chǎn)光刻機(jī)有望逐步縮小與國際領(lǐng)先水平的差距，實(shí)現(xiàn)自主可控的光刻設(shè)備生產(chǎn)，為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者：胡工，北京大學(xué)微電子本碩，北京大學(xué)半導(dǎo)體校友會(huì)成員，在半導(dǎo)體行業(yè)工作多年，常駐深圳。歡迎交流，備注姓名+公司+崗位。