本文從技術角度對光刻機技術的發展，和主要光刻技術的應用做一些簡單陳述。 ?

首先，光刻不是什么新的技術，早在1960年代就已經出現。早期光刻技術不是特別難的東西，畢竟那時需要光刻的線寬，是幾微米。所以光刻機也非常簡陋，甚至當年英特爾直接把16毫米攝像機鏡頭拆了裝上就用。只有GCA，K&S和Kasper等很少幾家公司有做過一點點相關設備，那會兒光刻機壓根算不上高科技設備，并不比照相機復雜多少。

但是，隨著晶體管數量不斷翻倍增加，曝光精度迅速從幾微米到零點幾微米以內，于是這些簡陋的光刻機難以滿足需求，問題越來越多。晶體管多了之后，互聯就增加了很多，需要多層金屬連接，金屬層需要介質層上堆疊，需要不同的曝光的圖形在介質層上布線，需要不同的光罩反復曝光，于是重復對準精度就成了一個大問題，就像蓋樓一樣，每一層必須上下對齊，不能蓋著蓋著蓋斜了吧。在集成電路工藝里這個精度要求異常精確，都是納米級……

從原理上而言，光刻機已經從早期的極其簡陋的設備，變成目前集合精密光學，激光、流體物理、電磁、精密控制、機械加工、電子信息、電子電路、化學在內的等幾十個學科的尖端技術于一體，是目前最精密最昂貴的工業設備，ASML高端型號的光刻機售價甚至超過1億美金，堪比一架飛機。

早期光刻機叫Mask Aligner 意思為掩膜對準曝光，現在多用lithography這個詞代稱光刻機和光刻工藝，有時候工藝工程師們偷懶就簡化為 “litho”。真正要稱呼光刻機這個設備，一般工程師們習慣用光刻機的特性的單詞來稱呼各類型的光刻機，這種好處是一看就知道你說的是具體什么型號的光刻機，壞處是外行人一臉懵逼。

光刻機有很多種類型，但有時也很難用類型進行分類來區別設備，因為有些分類僅是在某一分類下的分類。下文列舉一些主要的光刻機類型，并對每種類型的主要特點做一些簡要說明。順序按技術的逐步提高的方式排列，逐個了解，有助于對光刻技術的由淺入深的了解。

曝光式Mask Aligner

接觸式Contact Photolithography

步進式stepper?Photolithography

掃描式sacnner?Photolithography

浸沒式Immersion

DUV/EUV光刻機

曝光式Mask Aligner

曝光式Mask Aliger，是最直接的光刻應用方式。最簡單的掩膜對準曝光可以是下圖的“手動”設備，通過顯微鏡和手動調節可實現掩膜對準，再通過曝光來進行光刻功能。

接觸式Contact Photolithography

接觸式光刻是使用掩模校準器光刻。掩模對準器有兩個主要的工具結構:掩模固定器和晶圓夾頭。掩模支架被加工成一個非常平坦的表面，光掩模通過真空固定在這個表面上。晶圓夾頭，也被加工得很平，也通過真空來保持晶圓在適當的位置。這個工具在操作過程中可以保證兩個部分的表面保持彼此平行。晶圓夾頭可以向上移動到掩模支架上，以便使用可變力使晶圓與掩模接觸。晶片卡盤的表面位置也可以調整為盡可能與掩模平面，以獲得最佳效果;這就是所謂的楔形誤差補償。一旦晶圓片和掩模就位，就可以通過打開燈罩上的快門進行曝光。在燈罩內部有一個汞弧燈和相關的光學元件，它將允許一個選定的可控紫外波段暴露掩模和晶圓片。

下圖形象的說明了三種不同的Mask Align方式，接觸式Contact，接近式Proximity，投影式Projection。當然這幾種方式各大有優點和缺點，也有各自適合應用的領域。

步進式stepper Photolithography

步進式光刻是針對更為小更精細芯片，通過進步方式調整晶圓的位置，在一張晶圓上多次曝光。也稱作Step and repleat System。

掃描式sacnner Photolithography?

投影光刻工具有兩大類——掃描和步進重復系統。掃描投影印刷由Perkin-Elmer公司首創[1.5]，采用反射光學(即鏡子而不是透鏡)，當掩模和晶圓同時被狹縫移動時，將光從掩模上的狹縫投射到晶圓上。照射劑量由光的強度、狹縫寬度和掃描晶圓片的速度決定。這些早期的掃描系統使用來自汞弧燈的多色光，是1:1的，即掩膜和圖像尺寸相等。步進重復相機(簡稱步進相機)一次曝光晶圓片的一個矩形部分(稱為圖像場)，可以是1:1或縮小。這些系統采用折射光學(即透鏡)，通常是準單色的。兩種類型的系統(圖1-5)都能夠進行高分辨率成像，盡管最高分辨率需要還原成像。

到70年代中期，掃描儀取代了接近打印，用于尺寸小于4至5 μm的器件。到20世紀80年代初，隨著器件設計被推至2 μm以下，步進器開始占據主導地位。隨著最小特征尺寸達到250納米水平，步進器在整個20世紀90年代繼續主導平版印刷。然而，到20世紀90年代初，Perkin-Elmer的繼承者SVG Lithography引入了一種混合步進掃描方法。步進掃描方法使用正常步進場的一小部分(例如，25mm x 8mm)，然后在一個方向上掃描該場以暴露整個4 x還原掩模。然后將晶圓片移到新的位置，重復掃描。較小的成像場簡化了鏡頭的設計和制造，但代價是更復雜的光圈和晶圓臺。步進掃描技術是當今250nm以下制造的首選技術。

浸沒式光刻是一種光刻增強技術，它用折射率大于1的液體介質代替最終透鏡元件與光刻膠表面之間通常的氣隙。液體中較小的波長允許對較小的特征進行成像，目前使用水作為液體。下圖顯示了最終透鏡和晶圓的示意圖。

浸入式技術是卡爾蔡司在19世紀80年代首次引入用來提高光學顯微鏡的分辨能力。20世紀80年代，人們將浸入式技術引入現代光刻技術。2002年以后，浸沒式Immersion發展速度令人難以置信地快。

DUV/EUV光刻機?

分辨率是可以在適當控制下打印的最小特征，它有兩個基本限制：可以投射到晶圓上的最小圖像，以及光刻膠利用該圖像的分辨率能力。在投影成像方面，分辨率由成像光的波長(λ)和投影透鏡的數值孔徑(NA)根據瑞利準則決定。

光刻系統已經從藍色波長(436nm)發展到紫外（UV:UtraViolet，365nm)，再到深紫外(DUV:Deep UltrViolet，248nm)，再到今天主流的高分辨率波長193nm。隨著投影工具及其他各項技術的發展，利用DUV技術可以生產尺寸小于100納米的特征。近年來利用重疊偏移技術，DUV技術也不斷進步，生產能力不斷下降到50納米，28納米，甚至7納米。

極紫外光刻技術是一種x射線技術，其波長為13.5nm。如今的EUV掃描儀可實現低至22nm半間距的分辨率。在系統中，EUV光源利用高功率激光產生等離子體。這反過來又有助于在真空室中發射短波長的光。

EUV最初計劃在45/40nm工藝節點上投產。但為了實現足夠大的產能，技術上進行了多次升級改造，延遲了出貨時間。同時為了避免使用193nm浸沒法的偏移重疊圖案技術設備的出貨，EUV系統在7nm技術上才開始出貨。

在5nm，即使使用EUV，也需要在關鍵層上進行偏移重疊圖案技術。盡管它需要更昂貴的步驟，但圖案偏移重疊意味著特征的間距可以更小。今天2納米已經已經開始投產，都是EUV技術的功勞。

審核編輯：黃飛