1、光刻機發(fā)展歷程
集成電路（Integrated Circuit，IC）是現(xiàn)代信息技術(shù)的核心與基石，IC的發(fā)展始終遵循著Intel創(chuàng)始人之一——戈登·摩爾（Gordon Moore）提出的摩爾定律：價格不變時，約每隔 18-24個月集成度增多一倍，性能亦隨之提高一倍。
下圖為全世界半導(dǎo)體晶圓代工技術(shù)藍圖：
光刻機是IC制造裝備中最核心亦是技術(shù)難度最大的裝備，它已然從接觸式、接近式等發(fā)展到日前主流的步進掃描式。
日前，光刻機國際市場基本被三大巨擘ASML、Nikon與Canon瓜分，而近年來高端光刻機市場已基本被ASML壟斷。
國內(nèi)從事光刻機關(guān)聯(lián)技術(shù)科研的單位重點有上海微電子裝備有限機構(gòu)、清華大學、中國科學院長春光學精細機械與理學科研所、中國科學院光電技術(shù)科研所、哈爾濱工業(yè)大學、華中科技大學等。與國際先進水平相比，國內(nèi)光刻機的整體開發(fā)及制造水平還存在差距。
光刻機的發(fā)展是伴同著工作波長的減少進行的。最早的光源是紫外光源（UV，Ultra-Violet），由汞燈產(chǎn)生波長436nm的g-line激光、405nm的h-line激光與波長365nm的i-line激光。
之后的光源為深紫外光源（DUV，Deep Ultra-Violet），激光為準分子激光（波長248nm的 KrF、波長193nm的ArF）。在深紫外光刻機中加入浸沒式技術(shù)，可增多數(shù)值孔徑并加強分辨率。
為了減小集成電路的特征尺寸，進一步發(fā)展集成電路技術(shù)，科研者提出了極紫外（EUV， Extreme Ultra-Violet）光刻機技術(shù)。
1997年，美國的極紫外線有限責任機構(gòu)（EUVLLC）聯(lián)盟起始著手EUV光刻技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化科研。該技術(shù)采用波長為13.5 nm的極紫外光做為工作激光進行投影光刻。
日前EUV光刻技術(shù)為ASML獨有，已進入大批量生產(chǎn)，準許在7 nm及少于7nm節(jié)點上進行更簡單、更具成本效益的生產(chǎn)。
EUV光刻機中波長為13.5 nm的激光極易被空氣吸收。為了保準激光的傳播與光源的工作功率，EUV光刻機中的光學系統(tǒng)采用反射式結(jié)構(gòu)，并且全部光學系統(tǒng)置于真空環(huán)境中。光刻機的整體環(huán)境的改變?yōu)楣饪虣C的零部件設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。
2、光刻機的構(gòu)成部分
光刻機重點由光源、光路系統(tǒng)及物鏡、雙工件臺、測繪系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、對準系統(tǒng)等部分構(gòu)成。其中，晶圓模組部分重點負責揭發(fā)前晶片的測 量與參數(shù)錄入，照明光學模組部分完成晶圓的揭發(fā)。
在晶圓模組部分：晶圓傳送模組中，由機械手臂負責將晶圓由光阻涂布機傳送到晶圓平臺模組。而晶圓雙平臺模組負責在一片晶圓揭發(fā)的同期，將待揭發(fā)晶圓進行預(yù)對準，隨后對其表面高低起伏的程度進行測繪，并將關(guān)聯(lián)坐標錄入計算機。由此，在不到0.15秒的單位揭發(fā)時間內(nèi)，硅片承載臺能夠精細快速移動以達到最好的揭發(fā)效果。
在照明光學模組部分：紫外光從光源模組生成后，被導(dǎo)入到照明模組，并經(jīng)過糾正、能量掌控器、光束成型安裝等后進入光掩膜臺，隨后經(jīng)過物鏡賠償光學誤差，最后將線路圖揭發(fā)在已測繪對準的晶圓上。
3、光刻機關(guān)鍵性能參數(shù)
光刻機中重要的性能參數(shù)重點有：分辨率、焦深、套刻精度、產(chǎn)率、視場、MTF（調(diào)控傳遞函數(shù)）、掩膜版誤差因子等。而核心參數(shù)為分辨率、焦深和套刻精度。
其中，分辨率與光刻機的最小精度關(guān)聯(lián)聯(lián)，焦深對光刻機影像范圍有影響，套刻精度則決定了工藝層是不是套疊對準。因此呢，這三個技術(shù)指標被視為光刻機最重要的三個原因。
現(xiàn)如今，光刻機重點分為EUV光刻系統(tǒng)和DUV光刻系統(tǒng)兩大類，其分辨率分別已然達到了13nm和38nm，套刻精度分別達到了1.1nm和1.3nm。
ASML的NXT 3600D光刻機已然實現(xiàn)了160wph的產(chǎn)率，最佳套刻精度乃至達到了1.1nm，分辨率達到13nm。同期，NXT 2100i相較于NXT2050i在套刻精度方面亦有了20％的提高，能夠用來生產(chǎn)最先進的3nm芯片。而ASML計劃即將發(fā)行的NXE 3800E，套刻精度達到了0.9nm，產(chǎn)率亦實現(xiàn)了從160wph到220wph的跨越。
(1)分辨率
分辨率即光刻系統(tǒng)能清晰投影最小圖像的能力。
分辨率數(shù)值越小，光刻機性能越佳。分辨率由光源波長、數(shù)值孔徑以及光刻工藝參數(shù)決定。
按照瑞利準則，分辨率與數(shù)值孔徑成反比，與光源波長和工藝參數(shù)成正比。其中，數(shù)值孔徑衡量系統(tǒng)所能收集光的方向范圍（計算公式為NA=n*sinα，n為介質(zhì)折射率，α為孔徑角的一半），是物鏡光軸上點與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的方向，孔徑角越大，透鏡的光通量越大。
瑞利準則：透鏡系統(tǒng)的分辨率極限。因為光擁有衍射特性，一個無限小的點在影像后會變成一個彌散光斑，叫作為“艾里斑”，因此呢實質(zhì)光學系統(tǒng)影像的分辨率即兩個艾里斑恰好能夠區(qū)掰開的距離。
分辨率改進辦法：1)增大數(shù)值孔徑；2) 縮短揭發(fā)波長；3) 縮小光刻工藝參數(shù)。
焦深即光刻機能夠清晰影像的范圍。依據(jù)瑞利判據(jù)，焦深與波長成正比關(guān)系，與數(shù)值孔徑成反比。其中，ASML機構(gòu)2023年首臺High-NA EUV 光刻機的NA從0.33提高至0.55，焦深隨之縮小至40nm，對聚焦準確性的需求亦隨之加強。同期，焦深還受到數(shù)值孔徑、波長、光刻膠厚度、 類型以及晶圓表面平整度等原因影響。
(2)套刻精度
套刻精度指的是光刻工藝中，每一層電路圖圖形間（即當前層對準標記相針對前一層標記）的疊對精度。IC芯片的制造需要在晶圓表面壘加工藝層，且每層揭發(fā)圖形必須保準必定精度的套疊對準，以保準芯片的正常功能。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，圖形的關(guān)鍵尺寸持續(xù)減小，對套刻精度的需求亦越來越高。通常的，每層揭發(fā)圖形之間的套刻精度需掌控在硅片尺寸的25％～30％。
揭發(fā)過程中的套刻流程：硅片揭發(fā)需要先制作對準標記，以便于工藝層之間的圖形對準，在進行套刻參數(shù)補值后，再揭發(fā)當層圖案并制作對準暗號，最后進行外觀、套刻精度與線寬的測繪。
光刻機套刻精度直接受工件臺定位精度的影響，而工件臺定位精度又受到工件臺位置測繪精度的制約，定位誤差在誤差分配中一般占總套刻誤差的非常之一，即針對“14nm”節(jié)點，定位精度應(yīng)優(yōu)于0.57nm。位置測繪的精度直接決定了多次光刻間的相互重合誤差，因此呢超精細位移測繪系統(tǒng)是光刻機不可或缺的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。
(四)光刻機工件臺的結(jié)構(gòu)原理
下圖為ASML步進掃描式光刻機（TWINSCAN系列）的結(jié)構(gòu)示意圖，它重點由光學投影物鏡系統(tǒng)、工件臺系統(tǒng)和對準系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，工件臺系統(tǒng)包含掩模臺和硅片臺，是完成硅片揭發(fā)的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。
掩模臺和硅片臺分別部署在基座的上下兩層。
如下圖所示，掩模臺上承載掩模板，硅片臺上承載待揭發(fā)的硅片。光源發(fā)出的光束經(jīng)整形、勻光等處理后透射到掩模板上。在掃描揭發(fā)過程中，掩模臺與硅片臺在掃描方向上作精確地同步運動，從而將掩模板上的圖像以4:1的比例投影到硅片的揭發(fā)視場內(nèi)。之后，硅片臺作步進運動將下一視場運動到揭發(fā)區(qū)，如此循環(huán)地完成硅片上所有視場的揭發(fā)。
工件臺的軌跡跟蹤性能是保準光刻機產(chǎn)率和分辨率的關(guān)鍵。
為了在大行程范圍內(nèi)實現(xiàn)高加速、高速及高精度的運動，光刻機工件臺廣泛采用粗精疊層結(jié)構(gòu)。
其中，粗動臺完成大行程、微米級精度運動；小行程的微（精）動臺疊加在粗動臺上，用于賠償粗動臺的運動誤差，最后實現(xiàn)納米級運動精度。
下圖是ASML TWINSCAN XT系列光刻機硅片臺的結(jié)構(gòu)示意圖，由三個直線電公司成H型粗動臺，實現(xiàn)x-y平面大行程粗動；微動臺由若干音圈電機驅(qū)動，采用激光干涉儀作位移反饋，實現(xiàn)六自由度微動。
下圖是ASML TWINSCAN NXT系列光刻機硅片臺的結(jié)構(gòu)示意圖，粗動臺由磁懸浮平面電機驅(qū)動，省去了從直線運動到平面運動的中間轉(zhuǎn)換安裝，擁有動態(tài)特性好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點；微動臺依然由若干音圈電機驅(qū)動，但采用平面光柵作位移反饋。與激光干涉儀相比，平面光柵受氣壓、溫度、濕度等環(huán)境原因的影響較小，且結(jié)構(gòu)更為緊湊。因此呢，相比于XT系列，NXT系列光刻機可實現(xiàn)更高的產(chǎn)率和分辨率。
(五)雙工件臺的運行原理
傳統(tǒng)的光刻機工件臺系統(tǒng)僅包括一個掩模臺和一個硅片臺，硅片的上片、形貌測繪、掃描揭發(fā)、下片等工序依次完成。為了加強光刻機的產(chǎn)率，ASML于2000年首次提出了雙硅片臺技術(shù)，并將其成功應(yīng)用于TWINSCAN系列光刻機中。雙硅片臺技術(shù)將硅片的以上工序分離成兩個并行處理的部分，一個硅片臺在測繪位進行硅片的上下片、形貌測繪等準備工作，同期另一硅片臺在揭發(fā)位進行硅片的掃描揭發(fā)，待完成后兩硅片臺交換位置與職能，如此循環(huán)地實現(xiàn)硅片的有效揭發(fā)。
光刻機晶圓臺是磁懸浮運動的，其運動由三個平面運動自由度XYZ和三個旋轉(zhuǎn)載由度構(gòu)成，因此呢測繪系統(tǒng)需對其完成六自由度的位移測繪。日前，雙頻激光干涉儀和二維光柵尺是當前最為常用的兩種測繪六自由度位移的高精度測繪辦法。
下圖是國內(nèi)自主開發(fā)的超精細硅片臺采用粗精疊層結(jié)構(gòu)。粗動臺以三路激光尺作位移反饋，微動臺以分辨率為0.6 nm的九軸雙頻激光干涉儀作位移反饋，并經(jīng)過電渦流傳感器測繪微動臺與粗動臺之間的相對位移。硅片臺采用獨立掌控模式，即微動臺、粗動臺相互獨立地跟蹤相同的參考軌跡。
下圖為清華大學IC裝備科研室最新自主開發(fā)的光刻機雙硅片臺，氣浮粗動臺由平面電機驅(qū)動，磁浮微動臺由若干音圈電機驅(qū)動并經(jīng)過9軸雙頻激光干涉儀作位移反饋，在國內(nèi)處在領(lǐng)先水平。
(六)雙工件臺的技術(shù)難點
(1)對準精度高。
芯片制造中圖形的揭發(fā)需多層疊加，掩膜揭發(fā)的圖形必須和前一層掩膜揭發(fā)準確套疊在一塊，疊加的誤差即為套刻精度，需求為2nm以下。硅片上對準標記的數(shù)目越多，對準精度越低。
(2)運動速度快。
當前ASML最先進的DUV光刻機產(chǎn)率高達300wph，0.1秒完成1個影像單元的揭發(fā)影像，這需求晶圓平臺以高達7g的加速度高速移動。
(3)運作穩(wěn)定。
雙工件臺頻繁的位置互換，對加減速防震、精確定位及減少磨損等需求極 高，同期需保持長期的高速運作。
隨著工件臺的尺寸及推重比持續(xù)增大，其動力學特性愈來愈繁雜：模型階次更高、高頻段的不確定性更大，從而引起建模誤差很強。工件臺需要在高加速、高速的狀況下實現(xiàn)納米級軌跡跟蹤精度及毫秒級創(chuàng)立時間。雖然關(guān)聯(lián)技術(shù)很難，隨著我國技術(shù)的持續(xù)進步，高端光刻機關(guān)聯(lián)技術(shù)亦將逐步被解決！
關(guān)于光刻機結(jié)構(gòu)及工件臺的內(nèi)容就介紹到這兒，歡迎各位朋友點贊！
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