聊聊光刻機的原理、現狀與未來

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-09-19 10:25:22 944

光刻機是半導體制造過程中的關鍵設備，相當于芯片制造工藝的“印刷機”，它的精度直接影響芯片的制程和性能。

根據不同光源類型，光刻機可以分為UV（紫外線）、DUV（深紫外線）和EUV（極紫外線）三大類。光刻機的分辨率主要由兩個參數決定：光源的波長（λ）和物鏡系統的數值孔徑（NA）。簡單來說，波長越短、數值孔徑越大，光刻機的分辨率就越高。

1、光刻機的核心原理：瑞利判據

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

在這個公式中：

CD 是線寬，即可以實現的最小特征尺寸。

λ 是光刻機光源的波長。

NA 是物鏡的數值孔徑，代表鏡頭收集光的能力。

k? 是一個與芯片制造工藝相關的系數，目前最先進的工藝可以將 k? 降到 0.25。

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

2、不同類型光刻機的區別

UV和DUV光刻機：UV光刻機使用的是波長較長的光源，如365nm的i線，而DUV光刻機采用波長193nm的氟化氬（ArF）激光或248nm的氟化氪（KrF）激光。因為波長較短，所以DUV光刻機的分辨率比UV光刻機高得多。DUV光刻機按照光路介質的不同，可以分為干式（Dry）和浸沒式（Immersion，縮寫為ArFi）。

EUV光刻機：EUV光刻機使用波長為13.5nm的極紫外線光源，這是目前最先進的光刻技術。由于波長極短，EUV光刻機可以實現更小的特征尺寸（如7nm、5nm甚至更小的制程節點）。EUV光刻機的光源和物鏡系統都極為復雜，制造難度和成本也非常高。

3、浸沒式光刻機的技術特點

浸沒式光刻機（ArFi）通過將物鏡與晶圓之間的空氣介質替換為水，使光線在進入晶圓時的波長縮短，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，浸沒式光刻機的物鏡數值孔徑NA必須提高到一個更高的水平。當前國際主流的ArFi光刻機NA值可以達到1.35，而浸沒式的國產光刻機目前的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，浸沒式光刻機的分辨率仍然無法與ASML等先進廠商的產品相媲美。

4、國產光刻機的發展現狀

目前國內最先進的光刻機是干式ArF DUV光刻機，其NA值約為0.75，分辨率可以達到65nm。然而，國際主流的ArF光刻機NA值早已提升至0.93，能夠達到更小的特征尺寸。因此，國產光刻機在技術指標上相對落后。

5、為了進一步提升分辨率，國產光刻機需要進行兩方面的改進：

提高物鏡系統的NA：國內已經有科研單位正在攻關更高數值孔徑的物鏡系統，如北京的一家企業正在研發NA為0.85的物鏡，這將有助于提升分辨率。

完善浸沒式系統：浸沒式光刻機的關鍵在于水的使用。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的技術演進路線可供參考：

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來降低 k?，包括：

防震動：在曝光時減少晶圓和光罩的相對震動，使曝光圖形更加精確。

減少無用反射：消除曝光時產生的不需要的反射，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寬松的光罩上，輪流曝光以提高分辨率。

雖然這些技術能夠有效降低 k?，但是它們的實現難度較大，對光刻機的套刻精度要求極高。目前國產ArF光刻機的套刻精度為8nm，尚不足以支持多重曝光的實現，這也是國產光刻機目前無法進一步提升分辨率的主要限制。

7、光刻機產業的挑戰

光刻機制造是一項高度復雜的系統工程，包括光源、物鏡、工件臺、控制系統等多個部分，每一個部分都需要極高的精度和技術積累。光刻機產業的復雜性和高門檻導致目前全球只有少數幾家公司能夠生產高端光刻機，其中ASML處于*的*地位。

國產光刻機起步較晚，在技術、人才、供應鏈等方面與國際*企業存在顯著差距。雖然近年來*投入大量資金支持光刻機的研發，但光刻機的研制和產業化需要長期的技術積累和工程實踐，無法一蹴而就。

8、展望與建議

國產光刻機的未來發展需要從以下幾個方面著手：

技術攻關：繼續提高物鏡的NA，提高光刻機的分辨率。同時，完善浸沒式光刻機的工程化。

產業鏈協同：加強與上下游企業的合作，推動光刻機產業鏈的完善，提高國產光刻機的穩定性和可靠性。

人才培養：培養一批具有國際視野和專業技能的光刻機技術人才，為產業發展提供智力支持。

胡工認為，國產光刻機的發展任重道遠，但并非沒有希望。在持續的技術投入和產業支持下，國產光刻機有望逐步縮小與國際*水平的差距，實現自主可控的光刻設備生產，為我國半導體產業的發展提供堅實的基礎。

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