【專題 | 「光刻機」光刻技術_ASML光刻機_國產光刻機_EUV光刻機】

光刻機在現在的芯片市場中處于非常重要的位置，其技術發展水平將直接影響芯片的發展。那么現在光刻機的工作原理是什么，它是怎樣在芯片制造中發揮作用的呢?

光刻機在芯片制造的作用

光刻機根據應用工序不同，可以分為用于生產芯片的光刻機，以及用于封裝的光刻機，其中封裝光刻機對于光刻精度和控制精度的要求都比制造用光刻機低很多，價值量也相對較低。

光刻機是芯片制造中光刻環節的核心設備， 技術含量、價值含量極高。 光刻機涉及系統集成、精密光學、精密運動、精密物料傳輸、高精度微環境控制等多項先進技術，是所有半導體制造設備中技術含量最高的設備，因此也具備極高的單臺價值量，目前世界上最先進的 ASML EUV光刻機單價達到近一億歐元，可滿足 7nm 制程芯片的生產。

光刻機通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經物鏡補償各種光學誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，然后使用化學方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖。 不同光刻機的成像比例不同，有 5:1，也有 4:1。

制程小的芯片是需求

制程小的芯片處理速度快。小制程芯片內部晶體管導電溝道短，信號傳遞速度快，單位時間內芯片能處理更多的信息，時鐘頻率更高。單位面積性能提升，成本降低。更小的晶體管尺寸意味著單位面積芯片可以制造更多的晶體管，芯片集成度得到提升，即增加了芯片的功能，又使單位芯片的成本得到降低。光刻工藝水平決定了晶體管尺寸的大小，因此芯片制程的不斷縮小必然伴隨著光刻機產品的不斷升級和創新，從本質上說，正是半導體產業對更高性能、更低成本芯片的不斷追求推動了光刻機設備的不斷創新與發展。

光刻機是延續摩爾定律的關鍵。摩爾定律提出，當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔 18-24 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。半導體行業最初三十年的發展能夠基本滿足摩爾定律， 關鍵就在于光刻機能不斷實現更小的分辨率水平。近十年來摩爾定律的時間間隔已經延長至 3-4 年，原因就在于光刻機的發展低于行業的預期。

光刻機工作原理

測量臺、曝光臺：是承載硅片的工作臺。

激光器：也就是光源，光刻機核心設備之一。

光束矯正器：矯正光束入射方向，讓激光束盡量平行。

能量控制器：控制最終照射到硅片上的能量，曝光不足或過足都會嚴重影響成像質量。

光束形狀設置：設置光束為圓型、環型等不同形狀，不同的光束狀態有不同的光學特性。

遮光器：在不需要曝光的時候，阻止光束照射到硅片。

能量探測器：檢測光束最終入射能量是否符合曝光要求，并反饋給能量控制器進行調整。

掩模版：一塊在內部刻著線路設計圖的玻璃板，貴的要數十萬美元。

掩膜臺：承載掩模版運動的設備，運動控制精度是nm級的。

物鏡：物鏡用來補償光學誤差，并將線路圖等比例縮小。

硅片：用硅晶制成的圓片。硅片有多種尺寸，尺寸越大，產率越高。題外話，由于硅片是圓的，所以需要在硅片上剪一個缺口來確認硅片的坐標系，根據缺口的形狀不同分為兩種，分別叫flat、 notch。

內部封閉框架、減振器：將工作臺與外部環境隔離，保持水平，減少外界振動干擾，并維持穩定的溫度、壓力。

在加工芯片的過程中，光刻機通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經物鏡補償各種光學誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，然后使用化學方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖。一般的光刻工藝要經歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經過一次光刻的芯片可以繼續涂膠、曝光。越復雜的芯片，線路圖的層數越多，也需要更精密的曝光控制過程。

光刻機在芯片制造中的應用在近幾年的發展在放緩，主要是在提升技術的同時也會面臨新的技術問題，隨著現階段對芯片工藝的要求提高，光刻機的技術問題也將逐漸得到解決。

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