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：價格不變時，約每隔18-24個月，集成度增加一倍，性能也隨之提升一倍。隨著這一趨勢的延續(xù)，光刻機作為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)以及雙工件臺技術(shù)展開介紹。

一、光刻機發(fā)展歷程

光刻機的發(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。

從光源的角度來看，光刻機經(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，使用準分子激光（波長248nm的KrF、波長193nm的ArF）進行曝光。為了進一步提高分辨率，研究者提出了浸沒式技術(shù)，通過增加數(shù)值孔徑來提高分辨率。

然而，為了進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技術(shù)。1997年，美國的極紫外線有限責任公司（EUV LLC）聯(lián)盟開始著手EUV光刻技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化研究。該技術(shù)采用波長為13.5nm的極紫外光作為工作激光進行投影光刻。目前，EUV光刻技術(shù)已被ASML公司獨有，并成功應(yīng)用于7nm及以下節(jié)點的生產(chǎn)中。

二、光刻機的組成部分

光刻機是一個高度復(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、測量系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、對準系統(tǒng)等部分組成。

晶圓模組部分

晶圓模組部分主要負責曝光前晶片的測量與參數(shù)錄入。晶圓傳送模組由機械手臂負責將晶圓由光阻涂布機傳送到晶圓平臺模組。晶圓雙平臺模組則負責在一片晶圓曝光的同時，將待曝光晶圓進行預(yù)對準，并測量其表面高低起伏程度，將相關(guān)坐標錄入計算機。這樣，在不到0.15秒的單位曝光時間內(nèi)，硅片承載臺可以精準快速移動，達到最佳曝光效果。

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)過矯正、能量控制器、光束成型裝置等，進入光掩膜臺。隨后，經(jīng)過物鏡補償光學(xué)誤差，將線路圖曝光在已測量對準的晶圓上。

三、光刻機關(guān)鍵性能參數(shù)

光刻機的重要性能參數(shù)包括分辨率、焦深、套刻精度、產(chǎn)率、視場、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，光刻機性能越佳。分辨率由光源波長、數(shù)值孔徑以及光刻工藝參數(shù)決定。根據(jù)瑞利準則，分辨率與數(shù)值孔徑成反比，與光源波長和工藝參數(shù)成正比。增大數(shù)值孔徑、縮短曝光波長和縮小光刻工藝參數(shù)是提高分辨率的有效方法。

焦深

焦深即光刻機能夠清晰成像的范圍。焦深與波長成正比關(guān)系，與數(shù)值孔徑成反比。ASML公司2023年首臺High-NA EUV光刻機的NA從0.33提升至0.55，焦深隨之縮小至40nm，對聚焦準確性的要求也隨之提高。此外，焦深還受到數(shù)值孔徑、波長、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（即當前層對準標記相對于前一層標記）的疊對精度。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，圖形的關(guān)鍵尺寸不斷減小，對套刻精度的要求也越來越高。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％。光刻機套刻精度直接受工件臺定位精度的影響，而工件臺定位精度又受到工件臺位置測量精度的制約。

四、光刻機工件臺的結(jié)構(gòu)原理

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

掩模臺與硅片臺

掩模臺和硅片臺分別布置在基座的上下兩層。掩模臺上承載掩模板，硅片臺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。在掃描曝光過程中，掩模臺與硅片臺在掃描方向上作精確地同步運動，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內(nèi)。之后，硅片臺作步進運動將下一視場運動到曝光區(qū)，如此循環(huán)地完成硅片上所有視場的曝光。

粗精疊層結(jié)構(gòu)

為了在大行程范圍內(nèi)實現(xiàn)高加速、高速及高精度的運動，光刻機工件臺普遍采用粗精疊層結(jié)構(gòu)。粗動臺完成大行程、微米級精度運動；小行程的微（精）動臺疊加在粗動臺上，用于補償粗動臺的運動誤差，最終實現(xiàn)納米級運動精度。

典型結(jié)構(gòu)示意圖

ASML TWINSCAN XT系列光刻機硅片臺由三個直線電機構(gòu)成H型粗動臺，實現(xiàn)x-y平面大行程粗動；微動臺由若干音圈電機驅(qū)動，采用激光干涉儀作位移反饋，實現(xiàn)六自由度微動。

而NXT系列光刻機則采用磁懸浮平面電機驅(qū)動粗動臺，具有動態(tài)特性好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點；微動臺依然由若干音圈電機驅(qū)動，但采用平面光柵作位移反饋。

五、雙工件臺的運行原理

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

雙硅片臺技術(shù)

雙硅片臺技術(shù)將硅片的上片、形貌測量、掃描曝光、下片等工序分離成兩個并行處理的部分。一個硅片臺在測量位進行硅片的上下片、形貌測量等準備工作，同時另一硅片臺在曝光位進行硅片的掃描曝光。待完成后，兩硅片臺交換位置與職能，如此循環(huán)地實現(xiàn)硅片的高效曝光。

六自由度位移測量

光刻機晶圓臺是磁懸浮運動的，其運動由三個平面運動自由度XYZ和三個旋轉(zhuǎn)自由度組成，因此測量系統(tǒng)需對其完成六自由度的位移測量。雙頻激光干涉儀和二維光柵尺是當前最為常用的兩種高精度測量方法。

六、雙工件臺的技術(shù)難點

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

對準精度高

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。硅片上對準標記的數(shù)目越多，對準精度越低。

運動速度快

當前ASML最先進的DUV光刻機產(chǎn)率高達300wph，0.1秒完成1個影像單元的曝光成像，這要求晶圓平臺以高達7g的加速度高速移動。

運作穩(wěn)定

雙工件臺頻繁的位置互換，對加減速防震、精確定位及減少磨損等要求極高，同時需保持長時間的高速運作。隨著工件臺的尺寸及推重比不斷增大，其動力學(xué)特性愈來愈復(fù)雜，導(dǎo)致建模誤差較大。工件臺需要在高加速、高速的情況下實現(xiàn)納米級軌跡跟蹤精度及毫秒級建立時間。

七、國內(nèi)光刻機技術(shù)研究進展

與國際先進水平相比，國內(nèi)光刻機的整體研發(fā)及制造水平還存在差距。然而，近年來，國內(nèi)從事光刻機相關(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)、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所、中國科學(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，取得了顯著進展。

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