光刻机

光刻机（Mask Aligner）又名掩模对准曝光机，是芯片制造流程中光刻工艺的核心设备。芯片的制造流程极其复杂，而光刻工艺是制造流程中最关键的一步，光刻确定了芯片的关键尺寸，在整个芯片的制造过程中约占据了整体制造成本的35%。光刻机主要用途就是生产集成电路，将设计好的集成电路模板复刻到硅晶圆上，从而生产出足够微小、 精确、高效率的集成电路。^[1]

光刻技术自1947年贝尔实验室发明了第一只点接触晶体管而开始发展，随着时间的推移和技术的突破，逐渐衍生出了不同的发展方式。^[3][8]1959年诞生的第一台晶体管计算机和其提出的光刻工艺开启了接近式光刻机的发展，而仙童半导体的成就包括世界上第一个适用于单结构硅晶片的光刻机和CMOS IC制造工艺的提出。在1960年代，仙童还生产了第一台IC计算机IBM360，并建立了第一条2英寸集成电路生产线。接着，美国GCA公司的光学图形发生器和分布重复精缩机开拓了步进式光刻机的发展。在1970年代，GCA又推出了第一台分布重复投影曝光机，极大地缩小了集成电路图形线宽。^[3][8]1980年代，SVGL公司的步进扫描投影曝光机进一步降低了线宽。^[3]而随着时间的推移，光刻技术持续突破分辨率极限，采用了不同的发展方向，包括极紫外线光刻技术、电子束光刻技术、X射线光刻技术和纳米压印技术等。这些新技术的出现使光刻技术在持续努力突破分辨率极限的同时也开始探索新的研究方向，为集成电路的发展提供了更多可能性。^[2][3]

现代光刻机根据光源可分为紫外光刻机、深紫外光刻机和极紫外光刻机。^[9][10][11]根据曝光方式可分为接触式光刻机、接近式光刻机和直写式光刻机。^[12][13]光刻机的关键性能指标包括分辨率、对准精度、曝光方式、光源波长和生产效率等。^[14]光刻机的核心组成部分包括光源、镜头和工作台，每个部件都非常复杂，需要精心设计以实现精度、效率和稳定性的最佳表现。^[7]光刻机广泛应用于半导体芯片制造、微机电系统（MEMS）^[15]、印刷电路板（PCB）^[16]以及显示屏制造^[17]等领域。^[18]

全球光刻机的主要公司有荷兰ASML、日本Nikon和Canon，其中ASML市场占有率超过70%，是唯一一家能制造高端极紫外光刻机的企业。^[19][20]2022年ASML前道光刻机产品中EUV光刻机的销售额占比近50%。^[21]日本的Canon公司主要生产i-line光刻机，Nikon公司主要生产除EUV外的其它光刻机。^[21]在中国公司中，上海微电子的后道封装光刻机在中国国内的市占率高达80%，全球的市占率约为40%。^[2]

1947年，贝尔实验室发明第一只点接触晶体管，从此光刻技术开始了发展。^[8]当时，计算机的大量使用使得芯片的需求量大增，许多科学家都在研究发展计算机，于是光刻技术迅速被人们所重视并飞速发展。20世纪50年代，光刻技术“百花齐放”，出现过各种光刻手段，但是分辨率要求不高、器件也比较简单。^[3]

1959年世界上第一台晶体管计算机出现后，仙童半导体提出规范的光刻工艺，以此研制世界第一个适用单结构硅晶片。^[8]20世纪60年代，光刻技术已经从实验室走向了生产线。鲁尔发明外延生长工艺，仙童提出互补氧化物半导体场效应晶体（CMOSIC）制造工艺，并且成功研制了世界上第一台集成电路的计算机IBM360。随着集成电路芯片技术的发展，芯片尺度越小、晶体管数量越多的摩尔定律在1965年被提出。CMOS门系列被成功研制，并且世界上第一台2英寸集成电路生产线被建立。GCA公司开发出光学图形发生器和分布重复精缩机。^[3]

到了20世纪70年代，微光刻技术已经基本成熟，这个时代是以8为μm工艺为代表的。^[3]1970年代，GCA开发出第一台分布重复投影曝光机，集成电路图形线宽从1.5μm缩小到0.5μm节点。^[2]这个时代研制出来了第一块微处理器Intel4004，建立了世界上第一条3英寸集成电路生产线，1973年半导体设备推出了第一块CMOS微处理器1802。集成电路的摩尔定律开始显现。随后荷兰的ASML公司开始开发数字化曝光机、投影光刻机等关键工艺设备技术，并且在1973年建立了世界上第一条4英寸集成电路生产线。1979年IBM推出世界第一台个人计算机intel8088。^[3][8]

20世纪80年代是光刻集成电路进行自动化大生产的时期。^[3]80年代，美国SVGL公司开发出第一代步进扫描投影曝光机，集成电路图形线宽从0.5μm缩小到0.35μm节点。^[2]1988年，世界上第一条8英寸集成电路生产线建立，并研制出了16M位DRAM，由此进入超大规模集成电路时代CMOS工艺有120万个晶体管，IBMDRAM进入市场。集成电路和光刻技术已经进入亚微米时代。光刻分辨率以800nm的CAD制版为主。^[3]1990年代，Cano着手300mm晶圆曝光机，推出EX3L和5L步进机；ASML推出FPA2500，193nm波长步进扫描曝光机。光学光刻分辨率到达70nm。^[2]20世纪90年代，高分辨光刻技术的特征尺寸向深亚微米推进。蔡司、尼康等公司纷纷推出自己的投影式光刻产品，1999年实现了0.13μm光刻工艺。^[3]

2004年前，尼康一直稳坐光刻机市场第一的位置。然而这一局面随着台积电2002年提出以水作为介质的193nm浸润式光刻技术悄然发生改变。当时该技术没有得到尼康、佳能等主流光刻机厂商的支持，处于发展瓶颈期的ASML主动提出与台积电合作，并于2004年推出了浸没式光刻机，该产品凭借优良的性价比仅5年就让ASML的市场份额提高到50%，彻底颠覆了光刻机市场格局。^[2]

ASML的成功不仅仅是抓住了技术变革的窗口期，更是充分利用全球产业资源的结果。EUV光刻机中含8000个核心零部件，其中仅有10%是ASML公司提供，其余均来自产业链企业，ASML的全球供应商超过500家，最核心的顶级的光源（激光系统）、高精度的镜头（物镜系统）和精密仪器制造技术（工作台）三大部件和系统，均由德国和美国公司提供。^[2]

进入21世纪，随着智能手机的迅速发展，芯片的缩小技术已经愈发重要，智能手机的运算速度越来越快，对光刻技术的缩小有了更高的要求。光刻的线宽以每三年减少70%的速度减少。光刻机的光源波长已经从过去的汞灯紫外光波段进入到深紫外波段（DUV）准分子激光（波长为193nm）进入光刻应用。^[3]

2010年代，光刻光源的波长已经到头，再短就要进入软X射线。人们根据光的干涉特性，利用各种波前技术优化工艺参数也是提高分辨率的重要手段。这些技术是运用电磁理论结合光刻实际对曝光成像进行深入分析所取得的突破，其中有移相掩膜、离轴照明技术、邻近效应校正等。运用这些技术，可在目前的技术水平上获得更高分辩率的光刻图形。光源为193nm，通过采用波前技术，可在300mm硅片上实现0.014μm光刻线宽。同时ASML公司与蔡司公司一道研制出了极紫外（软X射线）光刻系统，将现在的光刻分辨率推到了5nm。^[3]

参考资料^[22]

参考资料^[23]

一台完整的光刻机包含超过10万个零部件，这些零部件按照功能组成若干关键组件，以组件为最小单位研究光刻机产业链。根据光刻工艺过程，又可以将光刻机分为若干软硬件协同的工作系统。光刻机中还有若干关键的耗材，归类在配套设施中。^[2]

光刻机结构组件包括光学组件、工作台、曝光组件、封闭框架、其他组件等。光学组件指激光光源及对激光进行能量调整、形状控制的一系列组件：激光光源，即激光发生器，DUV使用193nm波长的深紫外激光光源，EUV使用13.5nm波长的极紫外激光光源；光学镜片，指若干物镜及其他光学镜片；光束形状设置，将光束设置为圆形、环形等不同形状，从而获得不同的光学特性；光束矫正器，矫正光束入射方向获得平行光。工作台包括光刻机中主要的3个工作平台：测量台、曝光台，也称双工作台，一般的光刻机在一个工作台上先测量再曝光，双工作台可同时进行测量与曝光提升工作效率；掩膜台，控制掩膜版运动，控制精度为纳米级。曝光组件指与曝光过程相关的关键组件：掩膜，即掩膜版，承载IC设计电路图的玻璃板，激光透过掩膜将设计图形投射在光刻胶上，掩膜的性能直接决定了光刻工艺的质量；遮光器，在不需曝光时阻止光束照射到硅片的组件；能量探测器，对要照射到掩膜上的激光进行检测，反馈给能量控制器进行调整以满足曝光要求。封闭框架与减振器：将双工作台与外部环境隔离，使工作台保持水平并减少来自外界的振动干扰，维持稳定的温度和压力。^[2]

光刻机系统可以分为10个组成部分。光刻机的所用硬件部分需要组合起来顺序完成工作，因此这需要整机软件系统和控制系统来指挥光刻机的各个部分，相当于光刻机的大脑。^[12]

光刻机配套设施包括：光刻胶、光刻气体、浸没液体、涂胶显影、线材等。光刻胶是指光致抗蚀剂，用以在曝光中的得到所需的电路图像；光刻气体是指光刻机产生激光的光源；浸没液体是指用在DUV等浸没式光刻机的液体，使用折射率大于1的水作为媒介进行光刻，将提升最小分辨率，如采用折射率为1.44的去离子水等；涂胶显影指专用的涂胶显影机，用以在曝光后进行显影工艺；线材指光刻机中所需的各种线路材料等。^[2]

光刻（lithography）设备是一种投影曝光系统，由紫外光源、光学镜片、对准系统等部件组装而成。在半导体制作过程中，光刻设备会投射光束，穿过印着图案的光掩膜版及光学镜片，将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上，如图1所示。通过蚀刻曝光或未受曝光的部份来形成沟槽，然后再进行沉积、蚀刻、掺杂，架构出不同材质的线路^[24]。此工艺过程被一再重复，将数十亿计的MOSFET或其他晶体管建构在硅晶圆上，形成一般所称的集成电路。^[5]

光刻机使用纳米级的激光对硅片进行光刻，激光通过一系列光源能量、形状控制的手段后，投射过画有线路图的掩膜，将线路图按照一定比例缩小后映射到硅片上。然后使用化学方式显影，得到刻在硅片上的电路图。^[25]

紫外光刻机是一种利用紫外光进行曝光的光刻机，主要用于制造微电子器件和微纳米结构。^[9]其光源通常为汞灯或氙气光源，波长通常在365纳米或248纳米，^[28]而采用的光刻胶通常是正胶，分辨率可达亚微米级别。^[29]紫外光刻机的曝光方式通常为投影式光刻，即通过掩模将图案投影到光刻胶表面。^[28]由于其高分辨率、高精度、高效率等优点，紫外光刻机被广泛应用于半导体、光电子、生物医学等领域。^[30]

深紫外（Deep UV，DUV）光刻技术是一种先进的光刻技术，被广泛应用于制备纳米尺度范围的10~250nm几何特征。为了使用DUV技术，需要采用更短波长的紫外光。为了产生这样的紫外光，准分子激光器被应用，它能够产生高度均匀的相干单色光束。其中，氟化氪（KrF）激光器可以产生248nm的波长，而氟fú化氩yà（ArF）准分子激光器可以产生高强度的193nm波长的紫外光，它们在光刻领域被广泛认可。在实际应用中，193nm的波长在先进光刻领域被视为标准能量载体。而在DUV范围内，则使用透射光掩模。^[11]

极紫外光刻机（Extreme Ultraviolet Lithography，EUV）是一种先进的光刻技术，利用波长约为13.5纳米的极紫外光进行曝光。与传统的光刻技术相比，EUV具备更短的波长，使得分辨率更高，特征尺寸更小。因此，它在半导体制造和先进微纳加工领域得到广泛应用。EUV光刻技术的光学系统和光源技术非常复杂，需要精密的设备和控制系统来实现。作为半导体制造领域的前沿技术之一，EUV已经成功用于生产高性能微处理器和存储器件。^[10][11]

接触式光刻机使用接触式曝光（ContactPrinting）方法，即将掩模板直接与光刻胶层接触。根据施加力量的方式，接触式分为软接触、硬接触和真空接触。软接触是将基片通过托盘吸附住，掩模盖在基片上面；硬接触通过气压将基片往上顶与掩模接触；真空接触是在掩模和基片之间抽气，使之更好地贴合。然而，接触式光刻机的缺点是光刻胶易污染掩模板，且寿命短，只能使用有限次数。由于这些限制，接触式光刻机在20世纪70年代的工业水平上逐渐被接近式曝光方式取代。^[12]

接近式曝光（Proximity Printing）是一种复制型光刻方法，掩模版与光刻胶基底层保留一个微小的缝隙，缝隙大约为0～200μm。^[12]其工作原理是通过掩模版与光刻胶基底层之间微小的缝隙，将掩模版上的微纳图形结构转移到待加工图形表面。类似于“手影”游戏，利用阻挡光线传播的图形形成明暗相间的图案并记录下所需图形。接近式光刻机结构简单、加工效率高、成本低，能实现大芯片面积曝光且易于使用。然而，它有分辨力低、曝光图形质量差、工艺一致性差等缺点，仅能进行1：1的图形复制，无法进一步缩小复制图形。尽管如此，接近式光刻仍然是器件制造中应用广泛的一种光刻方法，特别适用于光刻分辨力要求低、芯片面积大、厚胶和非标基片等场景，除集成电路（IC）和平板显示外的各种器件基本都采用了该方法。接近式光刻可分为手动式、半自动式和全自动式三种操作模式。^[13]

直写式光刻机是一种基于光刻技术的微电子制造设备，利用光线和光刻胶的相互作用原理。其工作类似于书写字体的过程。在操作中，设备通过多种手段，将光束（或电子束、离子束）聚焦成类似于笔尖一样微小的点。然后通过移动笔尖或基片，实现它们之间的相对运动，从而加工出任意图形。直写式光刻机具备高精度加工的特点，最细线条的加工精度可达到纳米级。然而，直写式光刻机以点的方式进行加工，工作效率低且难以实现大面积直写，不适合大批量结构的制造。因此，它主要用于制作掩模板。^[13]

光刻机在半导体工业中起着至关重要的作用，它是关键的制造工具，用于将微细图案精确地转移到硅片表面。^[15]在集成电路制造中，光刻机帮助定义电路的结构和元件，实现纳米级别的图案制作，制造高密度集成电路和其他微纳米器件。^[31][32]此外，光刻机还实现多层次制作，将不同层次的图案精确转移至芯片表面，实现复杂电路结构，并在制程控制方面确保图案的精确度和一致性，实现高质量的芯片制造。^[33][34]

MEMS是将微型传感器、执行器和微结构集成的系统。^[15]光刻技术是制造MEMS微细结构的关键工艺，它能将微米级别甚至纳米级别的图案精确地转移到半导体材料上，用于制造微电子器件。^[35]能够实现微小结构的制造，例如微机械传感器和执行器。^[36]还支持多层次制作，实现复杂的微电子机械系统结构，如微型加速度计、微型陀螺仪等。^[37]光刻机的使用还能确保制造过程的精确度和一致性，从而实现高质量的微电子机械系统制造。^[38]

光刻技术在PCB制造中扮演着重要角色，用于精确定义导线、孔洞和其他微细结构，以实现复杂的电路板设计。^[16]光刻机能将微米级别甚至纳米级别的图案精确转移到基板表面，实现PCB上的微细线路和微结构制造。^[39]此技术在高密度互连（HDI）PCB制造中尤为重要，能实现高分辨率的图案制作，并可应用于多层次制作以实现复杂的PCB结构。^[40][41]光刻机还在制程控制方面发挥作用，确保微米级别甚至纳米级别的图案精确度和一致性，为高质量的PCB制造提供保障。^[42]

光刻机在液晶显示器（LCD）和有机发光二极管（OLED）等显示技术中扮演着重要角色，用于定义像素和电路，实现高分辨率和高质量的显示屏制造。^[17]通过将微米级别甚至纳米级别的图案精确转移至基板表面，光刻机能帮助制造微细线路和像素结构，并实现复杂的显示屏结构制作，例如多层次OLED显示屏。^[43][44][45]同时，光刻机还在制程控制中发挥作用，确保图案的精确度和一致性，从而实现高质量的显示屏制造。^[46]

ASML公司是一家总部位于荷兰的全球领先的半导体设备制造商，是全球最大的光刻设备制造商之一，并在全球范围内设有多个研发、生产、销售和服务基地。^[47]

尼康公司（Nikon）是一家总部设在日本东京的国际公司，是世界上领先的光刻机制造商之一，其产品被广泛应用于半导体行业。^[48][49][50]

佳能（Canon ）是一家总部位于日本东京的跨国公司。是世界上重要的光刻机制造商之一，其半导体光刻机技术主要应用于平板显示器制造领域，在全球范围内有多个研发和制造基地。^[51][52]

光刻机装备的核心部件有光源、镜头、工作台，每个部件都结构复杂、经过精心设计，需要将精度、效率和稳定性发挥到极致。光刻机镜头的制造也是一项门槛极高的高科技，需要极为精密、长期积累的研磨抛光技术。工作台的光罩平台模组承载着光罩并来回移动，晶圆平台模组精准定位晶圆的位置并进行移动。为保证加工精度，每一次移动后停止位置的定位精度都要达到纳米级。^[7]

光刻机价格昂贵、工作时的耗电量极大，因而光刻制程中时间就是金钱，高端光刻机工作台部件的移动速度极快，工作时的加速度达到自由落体运动时加速度的数倍。此外，经过光刻制程后的晶圆还需进行后续的刻蚀、成膜、CMP等复杂精密的半导体工艺流程，才能成为芯片裸片。^[7]