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光刻机|光刻机界的“独孤求败”是怎样炼成的？

撰文 | 悟理哥
来源：科技金眼
半导体行业的人 ， 大概谁也没想到 ， 本来是专业领域很小众的光刻机 ， 会成为社会持续关注的热点 。 这既是好事 ， 比如一下子成为了政策和投资的风口 ， 搞IC的人 ， 终于可以跟搞互联网的人谈笑风生了 。 但也有不好的地方 ， 比如 ， 有些人想借机捞一票就走 ， 还有大量关于光刻机的文章似是而非 。
比如 ， 媒体上经常出现的几纳米几纳米的工艺 ， 是不是指光刻机的分辨率呢？估计大部分写公号的人都搞不懂这个问题 。 还有 ， 都知道做光刻机荷兰阿斯麦一枝独秀 ， 那它厉害在哪？阿斯麦是怎样炼成的？
本文将用7个简单的比喻 ， 正本清源 ， 告诉你正确的答案 。 毕竟 ， 悟理哥是半导体专业出身的 ， 在大学任教时就教电子系光学 ， 大致不会那么离谱 。
1 光刻就像照相
光刻（Lithography）类似于照相 ， 是将掩膜版（Mask）携带的集成电路结构图形 ， “定格”和“刻画”在硅片上的过程 ， 这个过程中需要用到的媒质是光刻胶 ， 涉及的工艺跟传统冲洗胶卷一样 ， 包括显影和定影等步骤 ， 需要的机器设备 ， 最核心的就是光刻机了 。
光刻机|光刻机界的“独孤求败”是怎样炼成的？
光刻原理简图
光刻工艺是集成电路制造的关键步骤 ， 它对集成电路制造的重要性体现在两个方面 ， 一是在集成电路制造过程中需要进行多次光刻 ， 光刻成本占到集成电路制造成本的30%以上；二是光刻技术水平 ， 包括光刻机设备 ， 决定了集成电路中的晶体管能做到多小 ， 进而决定集成电路的集成度和性能能够达到什么程度 。
2 光刻机就像面条机
光刻机类似于一个面条机 ， 是加工制作“面条”——芯片的核心设备 。 不同的面条机 ， 做出来的面条质量并不相同 ， 有的粗 ， 有的细 ， 有的慢 ， 有的快 。
光刻机能够做出来多小的图形尺寸 ， 跟光刻机的结构和性能有关 。 因此 ， 光刻机自发明之后 ， 为了使造出来的“面条”效果更好 ， 人类对光刻机进行了不断的改进 。
首先是曝光光源的更新换代 。 从最初的436纳米波长光源 ， 到DUV（深紫外）所用的248纳米和193纳米波长 ， 再到目前最顶级的EUV（极紫外）13.5纳米波长 ， 光源波长不断缩小 ， 曝光能够获得的分辨率自然不断提高 。 如果从使用光源来看 ， 光刻机的发展主要经历了5代 ， 类似于一个面条机从1.0到5.0的版本 。
光刻机|光刻机界的“独孤求败”是怎样炼成的？
光刻机主要发展历程
再就是光学系统结构的演进 。
20世纪六七十年代 ， 接触式光刻机是集成电路制造的主流设备 。 这种机器曝光过程中掩膜版与硅片上的光刻胶直接接触 ， 优点是可以减小光的衍射效应 ， 缺点是会污染损坏掩膜版和光刻胶 ， 缩短掩膜版使用寿命 ， 且极易形成图形缺陷 ， 影响良率 。
为了解决上述问题 ， 20世纪70年代开始采用接近式光刻机 。 这种光刻机在掩膜版和硅片之间有微小间距 ， 由于掩膜版和硅片间距越小 ， 光刻工艺的分辨率越高 ， 当二者间距接近几十微米时 ， 就很难再减小 ， 而且会受衍射效应的影响 。
1973年 ， 美国PerkinElmer公司推出首台扫描投影光刻机 。 这种光刻机与以往光刻机不同在于 ， 光刻时以成像方式将掩膜图形投影转移到硅片上 ， 分辨率由成像系统投影物镜的数值孔径（光学术语）决定 。
因此 ， 为了进一步提高数值孔径改进光刻机性能 ， 人类又发明出浸液式光刻机 ， 也就是在某种折射率大于空气的超纯液体中进行光刻 ， 工作时好像把“晶圆”浸没在超纯液体中一样 。
3 光刻机又像机床
光刻机又类似于一个机床 ， 它的性能指标包括加工精度和加工速度两个方面 ， 加工精度又可以细分为分辨率和套刻精度两个指标 。
光刻机|光刻机界的“独孤求败”是怎样炼成的？
货柜式的阿斯麦光刻机
需要指出 ， 光刻机的分辨率跟集成电路工艺的尺寸不是一个概念 。 目前 ， 最先进的荷兰阿斯麦公司的EUV光刻机 ， 采用的光源波长是13.5纳米的极紫外光 ， 光刻机分辨率为38纳米 ， 但是利用这台光刻机可以实现7纳米、5纳米等集成电路工艺 。 通常说的台积电或者中芯国际7纳米或者5纳米工艺 ， 指的是集成电路工艺水平 ， 不是光刻机的分辨率 。
套刻指的是由于结构需要 ， 在一个硅片上进行多次光刻曝光 ， 像做大小不同的套娃一样 ， 由于每次曝光实际位置与预设位置可能存在差别 ， 如果偏差太大 ， 误差积累起来是很惊人的 。 因此 ， 必须把这个误差控制在一个很小的数值内 ， 这个数值就是套刻精度 。 目前 ， 荷兰阿斯麦公司的光刻机能够实现1.4纳米的套刻精度 ， 也就是两次光刻之间的位置偏差 ， 不到一根头发丝的万分之一！
产率描述的是光刻曝光的速度 ， 即光刻机的生产率 ， 通常用光刻机在单位时间内 ， 比如每小时曝光的硅片数量来表示 ， 目前 ， 最高水平的光刻机 ， 每小时曝光速度可以达到275片硅片 。


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