光刻机的常见类型解析

本文从技术角度对光刻机技术的发展，和主要光刻技术的应用做一些简单陈述。  

首先，光刻不是什么新的技术，早在1960年代就已经出现。早期光刻技术不是特别难的东西，毕竟那时需要光刻的线宽，是几微米。所以光刻机也非常简陋，甚至当年英特尔直接把16毫米摄像机镜头拆了装上就用。只有GCA，K&S和Kasper等很少几家公司有做过一点点相关设备，那会儿光刻机压根算不上高科技设备，并不比照相机复杂多少。

但是，随着晶体管数量不断翻倍增加，曝光精度迅速从几微米到零点几微米以内，于是这些简陋的光刻机难以满足需求，问题越来越多。晶体管多了之后，互联就增加了很多，需要多层金属连接，金属层需要介质层上堆叠，需要不同的曝光的图形在介质层上布线，需要不同的光罩反复曝光，于是重复对准精度就成了一个大问题，就像盖楼一样，每一层必须上下对齐，不能盖着盖着盖斜了吧。在集成电路工艺里这个精度要求异常精确，都是纳米级……

从原理上而言，光刻机已经从早期的极其简陋的设备，变成目前集合精密光学，激光、流体物理、电磁、精密控制、机械加工、电子信息、电子电路、化学在内的等几十个学科的尖端技术于一体，是目前最精密最昂贵的工业设备，ASML高端型号的光刻机售价甚至超过1亿美金，堪比一架飞机。

早期光刻机叫Mask Aligner 意思为掩膜对准曝光，现在多用lithography这个词代称光刻机和光刻工艺，有时候工艺工程师们偷懒就简化为 “litho”。真正要称呼光刻机这个设备，一般工程师们习惯用光刻机的特性的单词来称呼各类型的光刻机，这种好处是一看就知道你说的是具体什么型号的光刻机，坏处是外行人一脸懵逼。

光刻机有很多种类型，但有时也很难用类型进行分类来区别设备，因为有些分类仅是在某一分类下的分类。下文列举一些主要的光刻机类型，并对每种类型的主要特点做一些简要说明。顺序按技术的逐步提高的方式排列，逐个了解，有助于对光刻技术的由浅入深的了解。

曝光式Mask Aligner

接触式Contact Photolithography

步进式stepper Photolithography

扫描式sacnner Photolithography

浸没式Immersion

DUV/EUV光刻机

曝光式Mask Aligner

曝光式Mask Aliger，是最直接的光刻应用方式。最简单的掩膜对准曝光可以是下图的“手动”设备，通过显微镜和手动调节可实现掩膜对准，再通过曝光来进行光刻功能。

接触式Contact Photolithography

接触式光刻是使用掩模校准器光刻。掩模对准器有两个主要的工具结构:掩模固定器和晶圆夹头。掩模支架被加工成一个非常平坦的表面，光掩模通过真空固定在这个表面上。晶圆夹头，也被加工得很平，也通过真空来保持晶圆在适当的位置。这个工具在操作过程中可以保证两个部分的表面保持彼此平行。晶圆夹头可以向上移动到掩模支架上，以便使用可变力使晶圆与掩模接触。晶片卡盘的表面位置也可以调整为尽可能与掩模平面，以获得最佳效果;这就是所谓的楔形误差补偿。一旦晶圆片和掩模就位，就可以通过打开灯罩上的快门进行曝光。在灯罩内部有一个汞弧灯和相关的光学元件，它将允许一个选定的可控紫外波段暴露掩模和晶圆片。

下图形象的说明了三种不同的Mask Align方式，接触式Contact，接近式Proximity，投影式Projection。当然这几种方式各大有优点和缺点，也有各自适合应用的领域。

步进式stepper Photolithography

步进式光刻是针对更为小更精细芯片，通过进步方式调整晶圆的位置，在一张晶圆上多次曝光。也称作Step and repleat System。

扫描式sacnner Photolithography 

投影光刻工具有两大类——扫描和步进重复系统。扫描投影印刷由Perkin-Elmer公司首创[1.5]，采用反射光学(即镜子而不是透镜)，当掩模和晶圆同时被狭缝移动时，将光从掩模上的狭缝投射到晶圆上。照射剂量由光的强度、狭缝宽度和扫描晶圆片的速度决定。这些早期的扫描系统使用来自汞弧灯的多色光，是1:1的，即掩膜和图像尺寸相等。步进重复相机(简称步进相机)一次曝光晶圆片的一个矩形部分(称为图像场)，可以是1:1或缩小。这些系统采用折射光学(即透镜)，通常是准单色的。两种类型的系统(图1-5)都能够进行高分辨率成像，尽管最高分辨率需要还原成像。

到70年代中期，扫描仪取代了接近打印，用于尺寸小于4至5 μm的器件。到20世纪80年代初，随着器件设计被推至2 μm以下，步进器开始占据主导地位。随着最小特征尺寸达到250纳米水平，步进器在整个20世纪90年代继续主导平版印刷。然而，到20世纪90年代初，Perkin-Elmer的继承者SVG Lithography引入了一种混合步进扫描方法。步进扫描方法使用正常步进场的一小部分(例如，25mm x 8mm)，然后在一个方向上扫描该场以暴露整个4 x还原掩模。然后将晶圆片移到新的位置，重复扫描。较小的成像场简化了镜头的设计和制造，但代价是更复杂的光圈和晶圆台。步进扫描技术是当今250nm以下制造的首选技术。

浸没式光刻是一种光刻增强技术，它用折射率大于1的液体介质代替最终透镜元件与光刻胶表面之间通常的气隙。液体中较小的波长允许对较小的特征进行成像，目前使用水作为液体。下图显示了最终透镜和晶圆的示意图。

浸入式技术是卡尔蔡司在19世纪80年代首次引入用来提高光学显微镜的分辨能力。20世纪80年代，人们将浸入式技术引入现代光刻技术。2002年以后，浸没式Immersion发展速度令人难以置信地快。

DUV/EUV光刻机 

分辨率是可以在适当控制下打印的最小特征，它有两个基本限制：可以投射到晶圆上的最小图像，以及光刻胶利用该图像的分辨率能力。在投影成像方面，分辨率由成像光的波长(λ)和投影透镜的数值孔径(NA)根据瑞利准则决定。

光刻系统已经从蓝色波长(436nm)发展到紫外（UV:UtraViolet，365nm)，再到深紫外(DUV:Deep UltrViolet，248nm)，再到今天主流的高分辨率波长193nm。随着投影工具及其他各项技术的发展，利用DUV技术可以生产尺寸小于100纳米的特征。近年来利用重叠偏移技术，DUV技术也不断进步，生产能力不断下降到50纳米，28纳米，甚至7纳米。

极紫外光刻技术是一种x射线技术，其波长为13.5nm。如今的EUV扫描仪可实现低至22nm半间距的分辨率。在系统中，EUV光源利用高功率激光产生等离子体。这反过来又有助于在真空室中发射短波长的光。

EUV最初计划在45/40nm工艺节点上投产。但为了实现足够大的产能，技术上进行了多次升级改造，延迟了出货时间。同时为了避免使用193nm浸没法的偏移重叠图案技术设备的出货，EUV系统在7nm技术上才开始出货。

在5nm，即使使用EUV，也需要在关键层上进行偏移重叠图案技术。尽管它需要更昂贵的步骤，但图案偏移重叠意味着特征的间距可以更小。今天2纳米已经已经开始投产，都是EUV技术的功劳。

审核编辑：黄飞