聊聊光刻机的原理、现状与未来

老虎说芯|Tiger Chip|

2024-09-19 10:25:22 996

光刻机是半导体制造过程中的关键设备，相当于芯片制造工艺的“印刷机”，它的精度直接影响芯片的制程和性能。

根据不同光源类型，光刻机可以分为UV（紫外线）、DUV（深紫外线）和EUV（极紫外线）三大类。光刻机的分辨率主要由两个参数决定：光源的波长（λ）和物镜系统的数值孔径（NA）。简单来说，波长越短、数值孔径越大，光刻机的分辨率就越高。

1、光刻机的核心原理：瑞利判据

光刻机的分辨率，即能在芯片上实现的最小特征尺寸，可以用瑞利判据（Rayleigh criterion）来表示： CD =k1*λ/NA

在这个公式中：

CD 是线宽，即可以实现的最小特征尺寸。

λ 是光刻机光源的波长。

NA 是物镜的数值孔径，代表镜头收集光的能力。

k? 是一个与芯片制造工艺相关的系数，目前最先进的工艺可以将 k? 降到 0.25。

为了得到更小的线宽，半导体制造商会采用更短波长的光源（λ），使用更大数值孔径的物镜（NA），并尽力降低 k?。

2、不同类型光刻机的区别

UV和DUV光刻机：UV光刻机使用的是波长较长的光源，如365nm的i线，而DUV光刻机采用波长193nm的氟化氩（ArF）激光或248nm的氟化氪（KrF）激光。因为波长较短，所以DUV光刻机的分辨率比UV光刻机高得多。DUV光刻机按照光路介质的不同，可以分为干式（Dry）和浸没式（Immersion，缩写为ArFi）。

EUV光刻机：EUV光刻机使用波长为13.5nm的极紫外线光源，这是目前最先进的光刻技术。由于波长极短，EUV光刻机可以实现更小的特征尺寸（如7nm、5nm甚至更小的制程节点）。EUV光刻机的光源和物镜系统都极为复杂，制造难度和成本也非常高。

3、浸没式光刻机的技术特点

浸没式光刻机（ArFi）通过将物镜与晶圆之间的空气介质替换为水，使光线在进入晶圆时的波长缩短，提高分辨率。水的折射率为1.44，而空气的折射率为1。由于折射率的增加，193nm的ArF激光等效缩短为约134nm，提高了光刻的精度。

然而，浸没式光刻机的物镜数值孔径NA必须提高到一个更高的水平。当前国际主流的ArFi光刻机NA值可以达到1.35，而浸没式的国产光刻机目前的NA值只有1.08。这就意味着在没有提高物镜本身NA的情况下，浸没式光刻机的分辨率仍然无法与ASML等先进厂商的产品相媲美。

4、国产光刻机的发展现状

目前国内最先进的光刻机是干式ArF DUV光刻机，其NA值约为0.75，分辨率可以达到65nm。然而，国际主流的ArF光刻机NA值早已提升至0.93，能够达到更小的特征尺寸。因此，国产光刻机在技术指标上相对落后。

5、为了进一步提升分辨率，国产光刻机需要进行两方面的改进：

提高物镜系统的NA：国内已经有科研单位正在攻关更高数值孔径的物镜系统，如北京的一家企业正在研发NA为0.85的物镜，这将有助于提升分辨率。

完善浸没式系统：浸没式光刻机的关键在于水的使用。为了在物镜和晶圆之间引入水，需要解决很多复杂的工程问题，如避免气泡、控制水流均匀性和温度等。ASML的技术演进路线可供参考：

6、如何降低 k? 值

降低 k? 是提高光刻分辨率的另一种途径。工程师们通过多种技术来降低 k?，包括：

防震动：在曝光时减少晶圆和光罩的相对震动，使曝光图形更加精确。

减少无用反射：消除曝光时产生的不需要的反射，增加图像的清晰度。

双光束成像：包括偏轴式曝光（OAI）和移相光罩（PSM）两种方法，通过干涉成像提高分辨率。

多重曝光（Multi-patterning）：通过多次曝光，将密集的图案分解到多个宽松的光罩上，轮流曝光以提高分辨率。

虽然这些技术能够有效降低 k?，但是它们的实现难度较大，对光刻机的套刻精度要求极高。目前国产ArF光刻机的套刻精度为8nm，尚不足以支持多重曝光的实现，这也是国产光刻机目前无法进一步提升分辨率的主要限制。

7、光刻机产业的挑战

光刻机制造是一项高度复杂的系统工程，包括光源、物镜、工件台、控制系统等多个部分，每一个部分都需要极高的精度和技术积累。光刻机产业的复杂性和高门槛导致目前全球只有少数几家公司能够生产高端光刻机，其中ASML处于的地位。

国产光刻机起步较晚，在技术、人才、供应链等方面与国际企业存在显著差距。虽然近年来投入大量资金支持光刻机的研发，但光刻机的研制和产业化需要长期的技术积累和工程实践，无法一蹴而就。

8、展望与建议

国产光刻机的未来发展需要从以下几个方面着手：

技术攻关：继续提高物镜的NA，提高光刻机的分辨率。同时，完善浸没式光刻机的工程化。

产业链协同：加强与上下游企业的合作，推动光刻机产业链的完善，提高国产光刻机的稳定性和可靠性。

人才培养：培养一批具有国际视野和专业技能的光刻机技术人才，为产业发展提供智力支持。

胡工认为，国产光刻机的发展任重道远，但并非没有希望。在持续的技术投入和产业支持下，国产光刻机有望逐步缩小与国际水平的差距，实现自主可控的光刻设备生产，为我国半导体产业的发展提供坚实的基础。

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