本文首发于 酷安平台@虹猫酱 频道
在上一章，我主要和大家交流了半导体的技术节点以及集成电路的结构和光刻层，相信大家对以上两个知识点已经有了初步的认识。在今天的文章里，我同样会介绍两个概念的含义：分别是光刻工艺与光刻机。话不多说，马上开始吧。
3 光刻工艺
我知道大家都对光刻工艺很感兴趣，在这里我要澄清一个误区，我相信不止我一个人会那么想。光刻真的不是用激光在硅片上雕刻（就像车床那样）！
光刻工艺基本流程（process flow）如下图所示。首先在晶圆表面涂光刻胶并烘干，烘干后的晶圆被送到光刻机里面，光线通过掩模把掩模上的图形投影在光刻胶上，从而激发光化学反应（是不是有点像胶片相机拍照的过程？）
你以为现在就完了？不不不，曝光后的晶圆还需要进行二次烘烤，也就是曝光后烘烤（post-exposure bake，PEB），目的是让光化学反应更充分。最后把显影液喷洒到晶圆表面，使得曝光图形显影（develop，怎么那么像洗照片）
到此光刻工艺算是告一段落，但是之后仍需检测光刻胶上的图案，测量项目包括套刻误差（overlay），也就是光刻胶上的图形和前面工序留下的图形是否对准；然后是测量图形的尺寸，不过由于半导体器件太过渺小，不能拿游标卡尺或者螺旋测微器来测量，因此要借助电子显微镜来测量。测量合格的晶圆再进入下一道工序，而不合格的则送去返工。返工，通俗来讲就是用化学药品把晶圆表面的光刻胶洗掉，然后再涂抹光刻胶重新开始光刻。
到这里，大家应该已经明白，光刻工艺需要很多设备和材料，不单单是光刻机一种设备就能做出芯片来。涂胶、烘烤和显影需要匀胶显机，后续的测试还需要套刻误差测量仪、电子显微镜和去胶机。
在涂胶显影设备领域，全球范围内日本东京电子（TEL）一家独大，市场份额接近 87%，其他生产企业包括日本迪恩士（DNS）、德国苏斯微（SUSS）、中国台湾亿力鑫（ELS）、韩国 CND 等，国内企业主要是芯源微（占据国内4%份额）和润华全芯微。希望国内相关企业继续加油！
刚刚有个词不知道大家有没有注意到，那就是掩模（或者叫掩膜，mask，港台地区称之为光罩）。什么是掩模？即在半导体制造过程中，用于光刻工艺的图形“底片”。其作用是在硅片上选定的区域中对一个不透明的图形模板遮盖（怪不得港台地区叫光罩，也蛮贴切的），继而下面的腐蚀或扩散将只影响选定的区域以外的区域。
拿新麒麟举例子，大嘴总不能直接跟代工厂的光刻机下命令，你在这给我刻一个大核，在这刻一个中核对吧？代工厂需要先根据GDS文件，才能制作掩模，然后才能展开生产。
进行光刻工艺，光刻胶必不可少。光刻胶又称光致抗蚀剂，是一种对光敏感的混合液体。光刻胶最早由欧美企业长期把持，但是小日子后来居上，日企占据市场龙头地位。2020年，日本东京应化、JSR和美国杜邦公司占据大部分市场份额。
我国光刻胶相关公司主要有晶瑞股份、南大光电、金龙机电、宝通科技等。它们也取得了一些进步和突破，给它们一些时间吧。先抢占那些中低端工艺的市场份额，保证收支平衡再研发新产品，也是个不错的选择。毕竟成熟制程市场还是很大，人家台积电至今也没关掉28nm产线不是？
不过突破依然是个很难的过程，大家都知道材料学重要，但是大家都不想学材料。我本人如果考研深造，也不会再去做ms材料计算了。
前菜上完了，下面整点硬菜~
4 光刻机
以ASML为例，光刻机主要由照明光学模组、光罩模组和晶圆模组三部分构成。
还可以继续细分为光源模组（source）、照明模组（lllumination module）和投影物镜模组（projection lens）。
光源模组可以简化为一个激光器，释放出DUV（Deep Ultra Violet，深紫外光）或者EUV（Extreme Ultra Violet，极紫外光）
看到这里，有的朋友会问，把DUV光刻机的光源换成EUV激光器，是不是就能改装成euv光刻机了呢？答案当然是不能的。就好像我们把燃油车的汽油机换成电动机，也不能得到一辆新能源汽车一样。加上EUV光刻机的精度要求更高，对控制系统提出了更高的要求，旧瓶装新酒是不行的，DUV光刻机的镜头模组用的是透镜，和眼镜、放大镜是一类东西；而EUV光刻机由于波长太短（13.5nm），大部分光学材料都有很强的吸收效应，因此只能使用反射镜模组（6-7个镜子）
ASML的投影物镜模组由卡尔蔡司公司生产，模组把经过调制的光聚焦到晶圆表面。从原理上来说，投影物镜模组和相机的镜头没有本质区别。只不过光刻机的镜头组相当大（一米多高，直径40cm），镜片数量多一些罢了。光刻机镜头的要求极高，表面的平整度几乎到了变态的地步。
如果说镜头有中国那么大面积，那么镜头表面的起伏不能超过一个乒乓球，可想而知。我甚至觉得纳米级已经不能衡量蔡司镜头的标准了。除此之外，构成镜头模组的十几片镜片，每一片都能够微调（根据传感器实时微调），以便尽可能消除误差。手机超广角的畸变不会带来什么后果，但是光刻机的镜头出现畸变可能要出大问题！
为什么要这么大的镜头？根据瑞利判据，CD＝k1 λ/NA，要获得更小的线宽CD，要么降低波长λ，要么提升NA值（数值孔径）。而数值孔径与镜头直径成正相关，因此增大镜头尺寸就可以提升NA值。
罩模组由光罩传送模组（Reticle Handler）及光罩平台模组（Reticle Stage)两部分构成。光罩传送模组负责将光罩由光罩盒一路传送到光罩平台模组。而光罩平台模组负责承载及快速来回移动光罩。
为什么光罩要来回移动呢？ASML的光刻机成像的方式其买是扫描（scan）的方式，如同打印机一般。从照明系统打到光罩的光是条形光，所以光罩必须移动来完成扫描。
同样的，晶圆模组也是由两部分构成，分别为晶圆传送模组（Wafer Handler）和晶圆平台模组（Wafer Stage）。晶圆传送模组负责将晶圆由光阻涂布机一路传送到晶圆平台模组，晶圆双平台模组负责承载晶圆及精准定位晶圆来曝光。
这个双平台，也就是ASML引以为傲的TWINSCAN技术。这项技术引发长达20年的光刻革命。简单来说，TWINSCAN是一套具备双晶圆工作平台（双工件台）的光刻系统，平台1上的晶圆在曝光的同时，平台2上的晶圆已经完成对准工作，然后平台2上晶圆开始曝光，平台1上的晶圆完成曝光，卸载下线。
双工件台技术大幅提升了晶圆的曝光速度，目前ASML的光刻机曝光速度达到了275wafer/h，平均下来13秒曝光一个直径300mm的晶圆。晶圆平台的加速度高达7g！如果一辆跑车加速度有7g，那么0-100km/h仅需半秒不到的时间。
光有速度还不行，晶圆平台一定要稳如老狗，否则曝光就会产生误差。差之毫厘谬以千里，集成电路的器件又是那么的小，任何在我们看来微小的误差，都可能导致器件报废。
既要快，又要稳，而且是365天全年无休，这对材料工艺和自动控制提出了极高的要求。（晶圆平台是悬浮的，磁悬浮或者气浮，不与底座接触）
关于TWINSCAN以及ASML的发展史，我推荐大家去阅读《光刻巨人》这本书，看完之后真的很受启发。有时候办大事，天时地利人和缺一不可。
此内容由惯性聚合(RSS阅读器)自动聚合整理，仅供阅读参考。 原文来自 — 版权归原作者所有。