说一说光刻机的那些事儿

面对四月份美国对中兴芯片禁运事件，我们体会到被别人拿住软肋、受制于人的痛楚，而生产高性能芯片必须的关键设备就是光刻机，今天我们就来说一说光刻机的那些事儿。

光刻机（Mask Aligner），又名掩模对准曝光机、曝光系统、光刻系统等，其中掩模对准光刻法是比较常用的光刻机，本文搜集整理的资料和例证主要以掩模对准光刻机为主。

光刻机的分类

高端的投影式光刻机可分为步进投影和扫描投影光刻机两种，分辨率通常在十几纳米至几微米之间，高端光刻机号称是世界上最精密的仪器，高端光刻机堪称现代光学工业之花，其制造难度大，目前全球只有少数几家公司能够制造。

国外品牌的光刻机主要以荷兰ASML（光刻机镜头来自德国）、日本Nikon和日本Canon三大品牌为主。国内的光刻机主要是上海微电子装备股份有限公司SMEE研制的具有自主知识产权的投影式中端光刻机，目前该公司的光刻机已经初步形成产品系列，开始在海内外销售。

生产和研发用的低端光刻机为接近、接触式光刻机，分辨率通常在数微米以上，主要是德国、美国和中国的产品品牌。

光刻机性能指标

光刻机的主要性能指标是支持基片的尺寸范围、分辨率、对准精度、曝光方式、光源波长、光强均匀性、生产效率等“硬性”指标。

1）分辨率是指光刻加工工艺可以达到的最细线条精度。光刻的分辨率主要受到光源衍射极限的限制，也就是说受我们所说的阿贝极限（光学显微镜的分辨率极限约是可见光波长的一半）的限制。推而广之，光刻机的分辨率也就受到光刻光学系统、光刻胶和光刻工艺等方面的限制。

2）对准精度是在多层曝光时层间图案的定位精度。

掩膜对准光刻机光刻流程

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗、烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。最初的工序是用光来制作一个掩模版，然后在硅片表面均匀涂抹光刻胶，将掩模版上的图形或者电路结构转移复制到硅片上，然后通过光学刻蚀的方法在硅片上刻蚀出已经“复制”到硅片上的内容。

曝光系统

曝光系统是光刻机的核心部件之一，为了尽量减小衍射极限的限制，曝光系统大量采用紫外、深紫外和极紫外光做光源，比如汞灯、准分子激光器。曝光系统主要实现平滑衍射效应、实现均匀照明、滤光和冷光处理、实现强光照明和光强调节等功能。曝光方式分为接触接近式、投影式和直写式。但总体来说，曝光系统所采用的光源必须满足如下的要求：

1）适当的波长

波长越短，光刻的刀锋越锋利，可以用于刻蚀的特征尺寸就越小，刻蚀过程对精度的控制更好。

2）有足够的能量

能量越大，每一次刻蚀中所花费的曝光时间就越短。

3）能量必须均匀地分布在曝光区

曝光区域的光的均匀度或者平行度越高，硅片上的刻蚀痕迹的深度和宽度更加趋于一致，刻蚀精度更高、更易于控制。

对准系统

对准系统是光刻机另一个核心的部件，制造高精度的对准系统需要具有近乎完美的精密机械工艺，这也是全球的光刻机技术难点，许多美国品牌和德国品牌的光刻机具有特殊专利的机械工艺设计，比如可以有效避免轴承机械摩擦误差的全气动轴承设计专利技术。

当然，显微光学系统和CCD探测器是光刻机对准系统的另一个难题。根据操作的简便性和精度的高低，光刻机的对准方式可以分为手动、半自动、全自动三种。

筚路蓝缕以启山林

“一万年太久，只争朝夕”，为了缩短我国与国际先进光刻技术的差距，打破国际高端光刻机市场的垄断和限制，我国的 “02专项”（《极大规模集成电路制造技术及成套工艺》项目）的规划中就已经确定了研制高端光刻机的战略目标，将极紫外光刻关键技术列入“32-22nm装备技术前瞻性研究”的重要攻关任务，长春光机所、成都光电所、上海光机所、微电子所、北京理工大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等研究单位一起进行攻关。