漫谈光刻工艺及设备发展历程

最近看到一则新闻，上半年中国光刻机进口额39.63亿美元，同比增长64.8%，其中从荷兰进口额为25.86亿美元，超过一半的光刻机来自荷兰ASML公司。

ASML公司第二季销售额69亿欧元，毛利率51.3%，其中EUV光刻机平均每台售价1500亿韩元，相当于8.7亿人民币。

一台卖8.7亿人民币设备，这是啥神仙机器？是不是觉得很贵？

虽然很贵，想买还不一定买得到，台积电、三星、Intel是ASML公司股东，有优先提货权，目前国内的半导体都在争取买最先进的光刻机。

既然光刻机这么牛逼，不如先了解一下什么是光刻？

上次写了一些简单的半导体知识，这次接着写写半导体的加工工艺。

大家知道半导体基材主要是单晶硅，基材犹如一块石头，需要经过一定工艺切成了片状，切成片状之后再给片状基材里注入不同的元素，使半导体光电性能满足我们的需要。

为了将这个片状晶圆改造成高端的芯片，则需要把晶圆划分成尽可能小的单元，让半导体在尽可能小的单元内进行运算，划分晶圆的工具便是——光！

光刻的过程说起来很简单，在硅片表面匀胶，然后将掩盖模版上的图形转移到光刻胶上，是将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。

这个过程很像小时候看的露天胶片电影，小时候搬个小板凳看露天电影，通常有一个大银幕上放映图像（硅片），荧幕前的放映带（掩模版）通过灯光将图形投影到荧幕上。看来生活中的很多知识都是相通的，虽然你没有看过牛逼的光刻机如何工作，但是你很早看过胶片电影，这就是“光刻”了。

光刻在整个硅片的加工成本中几乎占据三分之一！

为啥？设备太贵了！原材料太贵了！这几亿的设备开动起来简直要比开战斗机成本还高！据说光刻占整个流片时间的40%-50%。

文字写起来不直观，不如来点简易的光刻流程示意图，下面是光刻的大致流程：

一、硅片清洗

这部分就不解释了，看电影之前要清理一下荧幕，如果有个苍蝇爬在上面始终影响观影感受。

二、烘干

这部分也好理解，硅片上有水滴操作起来不方便，有水分也影响后面光刻胶的牢固度。硅片的烘干类似于大家在家里烤面包，丢在烤箱里烤干。

三、匀胶

烘干后的硅片就要开始涂光刻胶了，这部分怎么看都像在摊煎饼果子，整体流程也是一个摊煎饼果子的流程。

打个鸡蛋（胶），然后让鸡蛋铺展开来，保证厚度均匀口感才好。涂胶均匀后再把溢出的胶处理掉。

四、烘干

“煎饼果子”摊好以后需要烤一会儿，毕竟生鸡蛋是没有人吃的。

光刻胶涂好以后也需要烘烤，提高胶的粘附性。烘烤可以选择不同的热源，比如烘箱、加热板等。

五、光刻

涂胶后的硅片就要开始光刻了，前面说了光刻就是将掩膜版上的几何图形转移到涂有一层光刻胶的硅片表面的工艺过程。

听起来挺简单，但光刻的精度却在过去几年发生了翻天覆地的变化，光刻设备也经历了几次技术迭代。

同样是光刻机，内部结构随着半导体技术的发展也发生了很大的变化。

自20世纪60年代以来，光学光刻机的结构形式经历了接触式、接近式、扫描式投影、分步式投影和步进扫描式投影光刻机等发展阶段，光刻机的主要发展历程见下图：

下面我们大致了解一下不同阶段光刻机工作方式：

1、 接触式光刻机

什么是接触式光刻机？

接触式光刻机是20世纪60-70年代集成电路制造中的主要设备，其结构如下图所示：

在曝光过程中，掩模版与涂覆有光刻胶的硅片直接接触。接触式光刻机的缩放比为1:1，分辨率可达到4-5微米。由于掩模和光刻胶膜层反复接触和分离，随着曝光次数的增加，会引起掩模版和光刻胶膜层损坏、芯片良率下降等不良后果。

一般掩模版在完成15-25次曝光后就需要进行清洁或更换，掩模版的制造和维护费用增加了光刻成本和芯片制造成本。

来看看示意图：

MASK代表掩模版，UV Light代表紫外光，PR代表光刻胶。

2、接近式光刻机

为什么有接近式光刻机呢？

因为人们发现掩模贴在硅片上损耗太大了，定期就要更换，于是考虑将掩模和硅片间留一点距离，这样便可以延长掩模的寿命了。接近式光刻机掩模距硅片表面10um，没有直接和硅片接触，延长了掩模的寿命，光刻的精度在3um以上。

这种设备工作的示意图如下：

MASK代表掩模版，UV Light代表紫外光，PR代表光刻胶。

相比于接触式光刻机而言，接近式光刻机延长了掩模版的使用寿命，降低了芯片制造成本。接近式光刻机的缩放比近似为1:1，分辨率可达到 2-4 微米，是20世纪70年代芯片制造的主要设备。

然而，掩模版和光刻胶膜层之间的微小间距会导致掩模曝光时产生菲涅耳衍射效应，这是制约接近式光刻机分辨率提高的主要因素。

3、投影式光刻机

当光刻技术发展到一定阶段下，科学家发现接近式光刻机无法满足半导体发展需要，因为掩模离硅片有一定距离，而这个距离导致光无法对硅片进行高精度光刻。于是便诞生了新的构想，就是投影光刻机。

1973年美国珀金埃尔默（Perkin Elmer）公司研制出扫描式投影光刻机，曝光过程中，以1mm宽的弧形狭缝对掩模图形进行全视场扫描曝光。采用深紫外照明光源，并结合折反式投影物镜系统，扫描式投影光刻机可实现1微米的光刻分辨率。

这种光刻原理相比之前又有了进步，它的进步之处就是虽然掩模离硅片有一定距离，科学家将这个距离进行分解，通过一定的光学镜片对光束再次整形，提高光的精度。

而按照光的工作方式可以分为步进型和扫描型，简单理解步进型是一次给你拍张个人照片，扫描型是像打印机一样，一边给你拍照，再下一步给你亲人拍照，最后形成一张全家福。

下面先看看步进型光刻机的工作方式：

下面是扫描型投影光刻机示意图：

扫描投影光刻机在进行曝光时，工件台承载涂覆好光刻胶的硅片步进移动到曝光视场位置，然后在扫描狭缝开启的同时，掩模台和工件台开始进行同步运动。

当完成曝光后，扫描狭缝关闭，这样便完成一次扫描曝光。之后工件台 步进驱动硅片将下一个待曝光单元移动到曝光视场位置。

重复上述步进扫描曝光步骤，直至硅片上所有曝光单元全部完成曝光，再更换新的硅片。

下面是步进型光刻机和扫描型光刻机工作的差异：

4、相移掩模

相移掩模是由于光刻精度的进一步提高，光的相互干涉影响到光刻质量，为了减少光线干涉的影响而将掩模版进行改进，其工作大致示意图如下：

5、浸没式光刻机

浸没式光刻机是目前光刻领域最有趣的问题，工作原理是利用水提高分辨率，在透镜和硅片之间有介质水，大约1 mm的间距。按照工作方式又分喷淋或浸泡，目前主要的光刻机生产商的研发方向都是喷淋系统。其中193 nm浸没式光刻技术已在2006年投入使用。更多理论的知识还有待进一步了解。

来张示意图看看：

下面是一台ASML的DUV光刻机结构示意图：

好了，光刻机的大致结构就介绍完了，经过光刻这一步以后接着便是显影。

六、显影

什么是显影？

如果光刻时将掩模的图案转移到光刻胶上，那么显影就是把这些图案显现出来，要的留下来，不要的去除。相当于刻印章，把要的图形留下来。

按照光刻胶的不同去除方式，可以分为正胶和负胶，类似于雕刻印章的阳刻和阴刻。

显影的过程又用到了摊煎饼果子的技术，如果煎饼里面有很多镂空的图形，滴点油，这些图形就显现出来了。

来看看显影的作业过程：

经光刻和显影后，在硅片上雕刻图形便完成了，图形完成后便进入后续的刻蚀、离子注入形成P-N结、电极生长、金属化等…

最后，用一张图来回顾一下光刻的流程：