集成電路作為現(xiàn)代信息技術(shù)的核心與基石，其發(fā)展一直遵循著Intel創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出的摩爾定律：價(jià)格不變時(shí)，約每隔18-24個(gè)月，集成度增加一倍，性能也隨之提升一倍。隨著這一趨勢(shì)的延續(xù)，光刻機(jī)作為IC制造裝備中最核心、技術(shù)難度最大的設(shè)備，其重要性日益凸顯。本文將從光刻機(jī)的發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)組成、關(guān)鍵性能參數(shù)以及雙工件臺(tái)技術(shù)展開(kāi)介紹。

一、光刻機(jī)發(fā)展歷程

光刻機(jī)的發(fā)展歷程可以追溯到早期接觸式、接近式光刻技術(shù)，逐步發(fā)展到目前主流的步進(jìn)掃描式光刻技術(shù)。這一技術(shù)的不斷革新，使得集成電路的特征尺寸不斷減小，性能不斷提升。

從光源的角度來(lái)看，光刻機(jī)經(jīng)歷了從紫外光源（UV）到深紫外光源（DUV），再到極紫外光源（EUV）的演變。紫外光源主要由汞燈產(chǎn)生，包括波長(zhǎng)436nm的g-line激光、405nm的h-line激光和365nm的i-line激光。隨著技術(shù)的發(fā)展，深紫外光源成為主流，使用準(zhǔn)分子激光（波長(zhǎng)248nm的KrF、波長(zhǎng)193nm的ArF）進(jìn)行曝光。為了進(jìn)一步提高分辨率，研究者提出了浸沒(méi)式技術(shù)，通過(guò)增加數(shù)值孔徑來(lái)提高分辨率。

然而，為了進(jìn)一步減小集成電路的特征尺寸，研究者提出了極紫外光刻機(jī)技術(shù)。1997年，美國(guó)的極紫外線有限責(zé)任公司（EUV LLC）聯(lián)盟開(kāi)始著手EUV光刻技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化研究。該技術(shù)采用波長(zhǎng)為13.5nm的極紫外光作為工作激光進(jìn)行投影光刻。目前，EUV光刻技術(shù)已被ASML公司獨(dú)有，并成功應(yīng)用于7nm及以下節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)中。

二、光刻機(jī)的組成部分

光刻機(jī)是一個(gè)高度復(fù)雜、精密的系統(tǒng)，主要由光源、光路系統(tǒng)及物鏡、雙工件臺(tái)、測(cè)量系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)等部分組成。

晶圓模組部分

晶圓模組部分主要負(fù)責(zé)曝光前晶片的測(cè)量與參數(shù)錄入。晶圓傳送模組由機(jī)械手臂負(fù)責(zé)將晶圓由光阻涂布機(jī)傳送到晶圓平臺(tái)模組。晶圓雙平臺(tái)模組則負(fù)責(zé)在一片晶圓曝光的同時(shí)，將待曝光晶圓進(jìn)行預(yù)對(duì)準(zhǔn)，并測(cè)量其表面高低起伏程度，將相關(guān)坐標(biāo)錄入計(jì)算機(jī)。這樣，在不到0.15秒的單位曝光時(shí)間內(nèi)，硅片承載臺(tái)可以精準(zhǔn)快速移動(dòng)，達(dá)到最佳曝光效果。

照明光學(xué)模組部分

紫外光從光源模組生成后，被導(dǎo)入到照明模組，并經(jīng)過(guò)矯正、能量控制器、光束成型裝置等，進(jìn)入光掩膜臺(tái)。隨后，經(jīng)過(guò)物鏡補(bǔ)償光學(xué)誤差，將線路圖曝光在已測(cè)量對(duì)準(zhǔn)的晶圓上。

三、光刻機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)

光刻機(jī)的重要性能參數(shù)包括分辨率、焦深、套刻精度、產(chǎn)率、視場(chǎng)、MTF（調(diào)控傳遞函數(shù)）、掩膜版誤差因子等。其中，分辨率、焦深和套刻精度是核心參數(shù)。

分辨率

分辨率即光刻系統(tǒng)能清晰投影最小圖像的能力。分辨率數(shù)值越小，光刻機(jī)性能越佳。分辨率由光源波長(zhǎng)、數(shù)值孔徑以及光刻工藝參數(shù)決定。根據(jù)瑞利準(zhǔn)則，分辨率與數(shù)值孔徑成反比，與光源波長(zhǎng)和工藝參數(shù)成正比。增大數(shù)值孔徑、縮短曝光波長(zhǎng)和縮小光刻工藝參數(shù)是提高分辨率的有效方法。

焦深

焦深即光刻機(jī)能夠清晰成像的范圍。焦深與波長(zhǎng)成正比關(guān)系，與數(shù)值孔徑成反比。ASML公司2023年首臺(tái)High-NA EUV光刻機(jī)的NA從0.33提升至0.55，焦深隨之縮小至40nm，對(duì)聚焦準(zhǔn)確性的要求也隨之提高。此外，焦深還受到數(shù)值孔徑、波長(zhǎng)、光刻膠厚度、類型以及晶圓表面平整度等因素影響。

套刻精度

套刻精度是指光刻工藝中，每一層電路圖圖形間（即當(dāng)前層對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記相對(duì)于前一層標(biāo)記）的疊對(duì)精度。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，圖形的關(guān)鍵尺寸不斷減小，對(duì)套刻精度的要求也越來(lái)越高。一般的，每層曝光圖形之間的套刻精度需控制在硅片尺寸的25％～30％。光刻機(jī)套刻精度直接受工件臺(tái)定位精度的影響，而工件臺(tái)定位精度又受到工件臺(tái)位置測(cè)量精度的制約。

四、光刻機(jī)工件臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理

光刻機(jī)工件臺(tái)是完成硅片曝光的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，主要由掩模臺(tái)和硅片臺(tái)組成。

掩模臺(tái)與硅片臺(tái)

掩模臺(tái)和硅片臺(tái)分別布置在基座的上下兩層。掩模臺(tái)上承載掩模板，硅片臺(tái)上承載待曝光的硅片。光源發(fā)出的光束經(jīng)整形、勻光等處理后透射到掩模板上。在掃描曝光過(guò)程中，掩模臺(tái)與硅片臺(tái)在掃描方向上作精確地同步運(yùn)動(dòng)，從而將掩模板上的圖像以4:1的比例投影到硅片的曝光視場(chǎng)內(nèi)。之后，硅片臺(tái)作步進(jìn)運(yùn)動(dòng)將下一視場(chǎng)運(yùn)動(dòng)到曝光區(qū)，如此循環(huán)地完成硅片上所有視場(chǎng)的曝光。

粗精疊層結(jié)構(gòu)

為了在大行程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高加速、高速及高精度的運(yùn)動(dòng)，光刻機(jī)工件臺(tái)普遍采用粗精疊層結(jié)構(gòu)。粗動(dòng)臺(tái)完成大行程、微米級(jí)精度運(yùn)動(dòng)；小行程的微（精）動(dòng)臺(tái)疊加在粗動(dòng)臺(tái)上，用于補(bǔ)償粗動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差，最終實(shí)現(xiàn)納米級(jí)運(yùn)動(dòng)精度。

典型結(jié)構(gòu)示意圖

ASML TWINSCAN XT系列光刻機(jī)硅片臺(tái)由三個(gè)直線電機(jī)構(gòu)成H型粗動(dòng)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)x-y平面大行程粗動(dòng)；微動(dòng)臺(tái)由若干音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用激光干涉儀作位移反饋，實(shí)現(xiàn)六自由度微動(dòng)。

而NXT系列光刻機(jī)則采用磁懸浮平面電機(jī)驅(qū)動(dòng)粗動(dòng)臺(tái)，具有動(dòng)態(tài)特性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；微動(dòng)臺(tái)依然由若干音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但采用平面光柵作位移反饋。

五、雙工件臺(tái)的運(yùn)行原理

為了提高光刻機(jī)的產(chǎn)率，ASML于2000年首次提出了雙硅片臺(tái)技術(shù)，并將其成功應(yīng)用于TWINSCAN系列光刻機(jī)中。

雙硅片臺(tái)技術(shù)

雙硅片臺(tái)技術(shù)將硅片的上片、形貌測(cè)量、掃描曝光、下片等工序分離成兩個(gè)并行處理的部分。一個(gè)硅片臺(tái)在測(cè)量位進(jìn)行硅片的上下片、形貌測(cè)量等準(zhǔn)備工作，同時(shí)另一硅片臺(tái)在曝光位進(jìn)行硅片的掃描曝光。待完成后，兩硅片臺(tái)交換位置與職能，如此循環(huán)地實(shí)現(xiàn)硅片的高效曝光。

六自由度位移測(cè)量

光刻機(jī)晶圓臺(tái)是磁懸浮運(yùn)動(dòng)的，其運(yùn)動(dòng)由三個(gè)平面運(yùn)動(dòng)自由度XYZ和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度組成，因此測(cè)量系統(tǒng)需對(duì)其完成六自由度的位移測(cè)量。雙頻激光干涉儀和二維光柵尺是當(dāng)前最為常用的兩種高精度測(cè)量方法。

六、雙工件臺(tái)的技術(shù)難點(diǎn)

雙工件臺(tái)技術(shù)雖然提高了光刻機(jī)的產(chǎn)率，但也帶來(lái)了諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。

對(duì)準(zhǔn)精度高

芯片制造中圖形的曝光需多層疊加，掩膜曝光的圖形必須和前一層掩膜曝光準(zhǔn)確套疊在一起，疊加的誤差即為套刻精度，要求為2nm以下。硅片上對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的數(shù)目越多，對(duì)準(zhǔn)精度越低。

運(yùn)動(dòng)速度快

當(dāng)前ASML最先進(jìn)的DUV光刻機(jī)產(chǎn)率高達(dá)300wph，0.1秒完成1個(gè)影像單元的曝光成像，這要求晶圓平臺(tái)以高達(dá)7g的加速度高速移動(dòng)。

運(yùn)作穩(wěn)定

雙工件臺(tái)頻繁的位置互換，對(duì)加減速防震、精確定位及減少磨損等要求極高，同時(shí)需保持長(zhǎng)時(shí)間的高速運(yùn)作。隨著工件臺(tái)的尺寸及推重比不斷增大，其動(dòng)力學(xué)特性愈來(lái)愈復(fù)雜，導(dǎo)致建模誤差較大。工件臺(tái)需要在高加速、高速的情況下實(shí)現(xiàn)納米級(jí)軌跡跟蹤精度及毫秒級(jí)建立時(shí)間。

七、國(guó)內(nèi)光刻機(jī)技術(shù)研究進(jìn)展

與國(guó)際先進(jìn)水平相比，國(guó)內(nèi)光刻機(jī)的整體研發(fā)及制造水平還存在差距。然而，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)從事光刻機(jī)相關(guān)技術(shù)研究的單位，如上海微電子裝備有限公司、清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等，取得了顯著進(jìn)展。

清華大學(xué)IC裝備研究室最新自主研發(fā)的光刻機(jī)雙硅片臺(tái)，采用氣浮粗動(dòng)臺(tái)和平面電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，磁浮微動(dòng)臺(tái)由若干音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)并通過(guò)9軸雙頻激光干涉儀作位移反饋，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。