聊聊光刻機(jī)的原理、重要性和挑戰(zhàn)

2025-10-29 09:23:27 3

1. 核心概念：光刻機(jī)是做什么的？

想象一下你用膠片相機(jī)拍照。你的目標(biāo)是把眼前的風(fēng)景（圖案）精確地投射到膠片上。

在芯片制造中，光刻機(jī)扮演的就是這臺(tái)超高精度的“投影相機(jī)”。

風(fēng)景/圖案: 電路設(shè)計(jì)師畫(huà)好的電路圖，被制作在一塊叫做掩模版（Mask/Reticle）的石英板上。這就像是相機(jī)的“底片”。
相機(jī)鏡頭: 光刻機(jī)內(nèi)部極其復(fù)雜、由多組鏡片構(gòu)成的投影物鏡系統(tǒng)。
膠片: 涂滿(mǎn)了一層光刻膠（Photoresist）的硅晶圓（Wafer）。
光: 特定波長(zhǎng)的深紫外光（DUV）或極紫外光（EUV）。

光刻機(jī)的核心任務(wù)，就是將掩模版上的電路圖案，通過(guò)光線(xiàn)，以極高的精度、極小地（通常是4倍縮小）“投影”并“曝光”到晶圓的光刻膠上。

這個(gè)過(guò)程完成后，被曝光（或未被曝光，取決于光刻膠類(lèi)型）的光刻膠會(huì)發(fā)生化學(xué)變化。后續(xù)的刻蝕（Etching）工藝就會(huì)根據(jù)這個(gè)光刻膠形成的“保護(hù)層”，在晶圓上刻蝕出實(shí)際的電路結(jié)構(gòu)。這個(gè)“光刻-刻蝕”的組合拳會(huì)重復(fù)幾十上百次，像蓋樓一樣，一層一層地把芯片造出來(lái)。

2. 光刻機(jī)在CMOS工藝流程中的地位

如果說(shuō)整個(gè)芯片制造廠（Fab）是一個(gè)龐大的精密機(jī)器，那么光刻機(jī)就是這臺(tái)機(jī)器的“心臟”和“大腦”。半導(dǎo)體主要工藝如下：

技術(shù)瓶頸: 光刻機(jī)的能力，直接決定了芯片的最小線(xiàn)寬，也就是我們常說(shuō)的“工藝節(jié)點(diǎn)”（比如28nm, 7nm, 5nm）。光刻機(jī)能畫(huà)多細(xì)的線(xiàn)，就決定了芯片上能集成多少晶體管，直接關(guān)系到芯片的性能和功耗。
成本核心: 光刻機(jī)是所有半導(dǎo)體設(shè)備中最昂貴的，一臺(tái)*的EUV光刻機(jī)售價(jià)超過(guò)1.5億美金。一個(gè)工廠的光刻機(jī)群通常占據(jù)了設(shè)備總投資的40%-50%。
產(chǎn)能瓶頸: 光刻也是整個(gè)制造流程中最耗時(shí)的步驟之一。光刻機(jī)的加工速度（產(chǎn)能，Throughput）往往決定了整個(gè)工廠的晶圓產(chǎn)出速度。

因此，你在工廠里聽(tīng)到的所有關(guān)于性能、良率、成本的討論，最終幾乎都繞不開(kāi)光刻工藝。

3. 光刻機(jī)的核心組成部分

一臺(tái)現(xiàn)代光刻機(jī)（以主流的掃描式光刻機(jī)Scanner為例）主要由以下幾個(gè)精密到*的子系統(tǒng)構(gòu)成：

光源系統(tǒng)（Light Source）: 產(chǎn)生用于曝光的光。這是決定分辨率的*個(gè)關(guān)鍵因素。

DUV (深紫外光): 主流是ArF準(zhǔn)分子激光器，產(chǎn)生193nm波長(zhǎng)的光。為了進(jìn)一步提高分辨率，工程師們發(fā)明了浸沒(méi)式光刻（Immersion Lithography），在鏡頭和晶圓之間填充超純水，利用水的折射率，等效地將193nm波長(zhǎng)縮短到約134nm，這是193i（i for immersion）技術(shù)的由來(lái)。
EUV (極紫外光): 用于7nm及以下最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)。波長(zhǎng)僅為13.5nm。它的光源產(chǎn)生極其困難，需要用高能激光轟擊錫（Sn）靶丸，使其等離子化后發(fā)光。

照明系統(tǒng)（Illumination System）: 它不是簡(jiǎn)單的把光照過(guò)來(lái)，而是對(duì)光源發(fā)出的光進(jìn)行整形、勻化，并以特定的角度（如離軸照明 OAI）照射到掩模版上，以?xún)?yōu)化最終成像的對(duì)比度和清晰度。以下是EUV光刻照明和物鏡示意圖：
掩模版與掩模工作臺(tái)（Reticle & Reticle Stage）:

掩模版（Reticle）: 帶有電路圖案的石英板，是光的“模板”。
掩模工作臺(tái): 承載并以極高加速度和納米級(jí)精度移動(dòng)掩模版的平臺(tái)。

投影物鏡系統(tǒng)（Projection Optics System）: 這是光刻機(jī)最核心、最昂貴、最精密的部分。它由20多塊直徑幾十厘米的巨大鏡片/反射鏡組成，表面加工精度達(dá)到亞納米級(jí)。它的作用就是將掩模版上的圖案縮小4倍并無(wú)失真地聚焦到晶圓上。

對(duì)于DUV，物鏡是透射式的（光穿過(guò)鏡片）。
對(duì)于EUV，由于13.5nm的光會(huì)被幾乎所有材料吸收，所以必須采用反射式的光學(xué)系統(tǒng)，即用超高精度的反射鏡（Mirror）來(lái)折轉(zhuǎn)光路。

晶圓工作臺(tái)（Wafer Stage）: 承載晶圓的平臺(tái)。它必須與掩模臺(tái)高度同步地移動(dòng)，移動(dòng)速度可以達(dá)到1g甚至更高的加速度，但定位精度要控制在1-2納米以?xún)?nèi)。這通常由激光干涉儀實(shí)時(shí)測(cè)量和控制，是機(jī)電一體化的*之作。為了提高產(chǎn)能，現(xiàn)代光刻機(jī)普遍采用雙工作臺(tái)（Dual Stage），一個(gè)在曝光時(shí)，另一個(gè)在進(jìn)行晶圓的對(duì)準(zhǔn)和測(cè)量，無(wú)縫銜接。
對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)（Alignment System）: 在曝光第二層及以后的圖形時(shí)，光刻機(jī)需要精確地找到晶圓上*層留下的標(biāo)記（Alignment Mark），以確保層與層之間能夠精確地“套準(zhǔn)”。這個(gè)精度就是我們常說(shuō)的套刻精度（Overlay）。

4. 光刻機(jī)的三大核心性能指標(biāo)

評(píng)價(jià)一臺(tái)光刻機(jī)的好壞，我們主要看三個(gè)指標(biāo)：

分辨率（Resolution）: 能印出的最小線(xiàn)條尺寸。它遵循瑞利判據(jù)：R = k? * (λ / NA)

λ (Lambda): 光源的波長(zhǎng)。波長(zhǎng)越短，分辨率越高。這就是我們從DUV（193nm）發(fā)展到EUV（13.5nm）的根本原因。
NA (Numerical Aperture): 物鏡的數(shù)值孔徑，可以理解為鏡頭“收光”的能力。NA越大，分辨率越高。浸沒(méi)式技術(shù)就是通過(guò)提高NA來(lái)提升分辨率的。
k?: 工藝因子。它代表了除了設(shè)備本身之外，我們能做的所有工藝上的優(yōu)化，比如掩模版優(yōu)化（OPC）、計(jì)算光刻（Computational Lithography）、多重曝光（Multi-Patterning）等。k?的極限是0.25。

套刻精度（Overlay）: 上下兩層圖形對(duì)準(zhǔn)的精確程度。如果套不準(zhǔn)，晶體管的源極、漏極和柵極就會(huì)錯(cuò)位，芯片直接報(bào)廢。對(duì)于先進(jìn)工藝，Overlay的誤差要求在1-2納米以?xún)?nèi)。
產(chǎn)能（Throughput）: 每小時(shí)能處理多少片晶圓（WPH, Wafers Per Hour）。這直接關(guān)系到制造成本。一臺(tái)高效的光刻機(jī)WPH可以達(dá)到250-300片。

5. 總結(jié)與建議

對(duì)于剛?cè)胄械哪悖业慕ㄗh是：

建立系統(tǒng)觀: 不要只把光刻機(jī)看作一臺(tái)孤立的設(shè)備。要理解它與前后的涂膠（Coat）、顯影（Develop）、刻蝕（Etch）工藝的緊密聯(lián)系。光刻的任何一個(gè)微小變動(dòng)，都會(huì)影響后續(xù)所有步驟。
抓住核心: 牢記分辨率、套刻精度和產(chǎn)能這三大指標(biāo)。你在工作中遇到的很多問(wèn)題，最終都會(huì)歸結(jié)到如何在這三者之間取得平衡。
敬畏之心: 光刻機(jī)是人類(lèi)工程技術(shù)的奇跡，集成了光學(xué)、精密機(jī)械、控制理論、材料科學(xué)等眾多領(lǐng)域的*成果。保持對(duì)技術(shù)的敬畏，是你不斷學(xué)習(xí)和進(jìn)步的動(dòng)力。

免責(zé)聲明：本文采摘自“老虎說(shuō)芯”，本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表薩科微及行業(yè)觀點(diǎn)，只為轉(zhuǎn)載與分享，支持保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明原出處及作者，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。

上一篇：: 為什么說(shuō)英偉達(dá)短期難以被超越

下一篇：: 電源管理芯片常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)

聊聊光刻機(jī)的原理、重要性和挑戰(zhàn)

客服QQ2635709730

聊聊光刻機(jī)的原理、重要性和挑戰(zhàn)

客服QQ
2635709730