萬字長文，說透光刻機(jī)

光刻機(jī)：多個先進(jìn)系統(tǒng)組合，核心零部件被海外廠商壟斷

EUV 光刻機(jī)技術(shù)難點主要是光源功率高：為滿足極紫外光刻需求，光源應(yīng)具有以下性能: （1）光源功率達(dá)250W， 且功率波動??；（2）較窄的激光線寬，具有頻率噪聲和很小的相對強(qiáng)度噪聲，減少光學(xué)損耗；（3） 較高的系統(tǒng)效率。光源轉(zhuǎn)化率最終要達(dá)到250w以上的功率，因此激光器的平均功率要達(dá)到20kW。為了讓激光束以極大的功率穩(wěn)定傳輸，系統(tǒng)非常復(fù)雜性。EUV 激光系統(tǒng)由大約 45 萬個零件組成，重約 17 噸。從種子光發(fā)生器到錫珠有 500 多米的光路，對所有零部件的要求非?？量獭?/span>
Gigaphoton（ EUV光源供應(yīng)商之一） 激光器功率達(dá)27kW：Gigaphoton 成立以來一直為 ASML、 Nikon和Canon提供激光光源。共設(shè)計三款EUV光源，分別為Proto#1、Proto#12、Pilot#1, 其中Pilot#1為商業(yè)化應(yīng)用的產(chǎn)品，激光器功率為27kw， 輸出功率達(dá)到250W。目前EUV光源只有兩家公司能夠生產(chǎn)：一家是美國Cymer， 另外一家是日本Gigaphoton。
圖表49：Gigaphoton 公司 EUV 光源產(chǎn)品參數(shù)
曝光系統(tǒng)：照明系統(tǒng)+投影物鏡
曝光系統(tǒng)：曝光系統(tǒng)包含照明系統(tǒng)（ 光源加工） 和投影物鏡（ 高分辨成像） ， 是光刻機(jī)中最昂貴最復(fù)雜的部件之一。物鏡的性能決定了光刻機(jī)的線寬、 套刻精度， 是光刻機(jī)的核心部件， 其技術(shù)水平很大程度上代表了光刻機(jī)的技術(shù)水平。
圖表49：光刻機(jī)照明與投影物鏡系統(tǒng)的工作流程圖
照明系統(tǒng)：光源高質(zhì)量加工的關(guān)鍵
照明系統(tǒng)為投影物鏡成像提供特定光線角譜和強(qiáng)度分布的照明光場。照明系統(tǒng)位于光源與投影物鏡之間， 是復(fù)雜的非成像光學(xué)系統(tǒng)。照明系統(tǒng)的主要功能是為投影物鏡成像提供特定光線角譜和強(qiáng)度分布的照明光場。照明系統(tǒng)包括光束處理、光瞳整形、 能量探測、 光場勻化、 中繼成像和偏振照明等單元。
圖表50：光學(xué)系統(tǒng)原理照明系統(tǒng)組成部件：1）光束處理單元：與光源相連， 主要實現(xiàn)光束擴(kuò)束、 光束傳輸、 光束穩(wěn)定和透過率控制等功能，其中光束穩(wěn)定由光束監(jiān)測和光束轉(zhuǎn)向兩部分組成。2）光瞳整形單元：光刻機(jī)需要針對不同的掩膜結(jié)構(gòu)采用不同的照明模式以增強(qiáng)光刻分辨力，提高成像對比度。光瞳整形單元通過光學(xué)元件調(diào)制激光束的強(qiáng)度或相位分布，實現(xiàn)多種照明模式。3）光場勻化單元：用于生成特定強(qiáng)度分布的照明光場。引入透射式復(fù)眼微透鏡陣列， 每個微透鏡將擴(kuò)束準(zhǔn)直后的光源分割成多個子光源， 每個子光源經(jīng)過科勒照明鏡組后在掩膜面疊加，從而實現(xiàn)高均勻性的照明光場。4）中繼鏡：在掩膜面上形成嚴(yán)格的光束強(qiáng)度均勻的照明區(qū)域并將中間的平面精確成像在掩膜版平面。
圖表51：照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
照明系統(tǒng)技術(shù)難點：為了使光能在晶圓上完美成像，需要進(jìn)行高質(zhì)量加工。

1） 提升光均勻度：光刻要以來回掃描的方式成像， 這束條形光的任何位置能量都需一致。需要通過鏡子進(jìn)行多次反射， 提升光的均勻度。
2）控制掃描條形光的開合：晶圓上曝光單元的所有位置需要接受等量的光，因此掃描的條形光必須是能開合的。

3）調(diào)節(jié)光形狀， 需要用到光瞳整形技術(shù)：不同的照明方式，比如圓形、環(huán)形、二級、四級光源下，光刻機(jī)分辨率不同。例如：光穿過掩膜版上的圖案時會產(chǎn)生衍射效應(yīng)， 線寬越小，衍射角度越大，1階衍射光超過投影物鏡外就無法成像。如果將點光的形狀改成環(huán)狀光或其他形狀， 1階衍射光就可以被收進(jìn)物鏡且圖像對比度清晰。
圖表52：衍射光無法成像
圖表53：環(huán)形光成像
光瞳整形單元是照明系統(tǒng)中技術(shù)難度較大的部件， 主要技術(shù)有：基于衍射光學(xué)元件（DOE） 的光瞳整形技術(shù)和基于微反射鏡陣列（MMA） 的自由光瞳整形技術(shù)。
衍射光學(xué)元件（DOE） 的光瞳整形：光瞳整形單元主要包括衍射光學(xué)元件、變焦距傅里葉變換鏡組、錐形鏡組和光瞳補(bǔ)償器。衍射光學(xué)元件用于實現(xiàn)照明光瞳的角向調(diào)制， 傅里葉變換鏡組、錐形鏡組用于照明光瞳的徑向調(diào)制。缺點：1個衍射光學(xué)元件只能實現(xiàn)1種照明模式。
微反射鏡陣列（MMA）的自由光瞳整形：主要由能量均衡組件、 光束分割組件、 微反射鏡陣列和傅里葉變換鏡組組成。核心器件是微反射鏡陣列， 由數(shù)千個二維轉(zhuǎn)角連續(xù)可調(diào)的微反射鏡組成， 通過調(diào)整微反射鏡陣列的角位置分布可實現(xiàn)任意照明模式， ASML先進(jìn)機(jī)型中較多使用自由光瞳整形技術(shù)。
圖表54：基于衍射光學(xué)元件的光瞳整形技術(shù)
圖表55：基于微反射鏡陣列的光瞳整形技術(shù)

投影物鏡系統(tǒng)：精準(zhǔn)成像，對線寬起重要作用

投影物鏡是精準(zhǔn)成像的關(guān)鍵：投影物鏡要將照明模組****出的1階衍射光收進(jìn)物鏡內(nèi)，再把掩膜版上的電路圖案縮小，聚焦成像在晶圓上，并且還要補(bǔ)償光學(xué)誤差。投影物鏡主要由多枚鏡片組成。隨著分辨率要求不斷提高， 光刻機(jī)投影物鏡結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對光學(xué)材料、光學(xué)加工、光學(xué)鍍膜等要求達(dá)到目前工業(yè)水平的極限， 是光刻機(jī)中技術(shù)壁壘最高的零部件之一。
投影物鏡的結(jié)構(gòu)型分為折射式和折反式：1） 折射式：光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)對稱并沿著同一個光軸對準(zhǔn), 視場位于光軸中央, 結(jié)構(gòu)簡單易于裝調(diào)；2） 折反式（NA>1.1） ：反射鏡有著正光焦度和負(fù)值場曲, 不依賴傳統(tǒng)“腰肚” 結(jié)構(gòu), 使用較少數(shù)量和較小口徑的光學(xué)元件滿足對場曲的校正在一定物鏡尺寸限制內(nèi)實現(xiàn)更大的NA。
物鏡特點是直徑大、鏡片多、鏡片可動：1）物鏡直徑大：ASML DUV光刻機(jī)中的先進(jìn)機(jī)種的投影物鏡直徑大于40厘米，增加投影物鏡的直徑可以提高數(shù)值孔徑， 進(jìn)而提高光刻機(jī)分辨率。2）多片透鏡組合：ASML DUV光刻機(jī)投影物鏡的高度超過1米，鏡片數(shù)量超過15片。和相機(jī)一樣，單個透鏡的光學(xué)特性會導(dǎo)致圖像失真， 需要組合透鏡來修正圖像形變。3）可動鏡片：用運動著的鏡片來消除鏡頭組裝及光刻生產(chǎn)等過程中所產(chǎn)生的各種像差。可動鏡片覆蓋了垂直修正、傾斜修正和多向修正。
圖表56：典型折射式投影物鏡示意圖
圖表57：折反式投影物鏡示意圖
投影物鏡技術(shù)難點：像差調(diào)節(jié)要求高、工藝精密。

1）像差調(diào)節(jié)要求高：波像差是實際波面與理想波面之間發(fā)生的偏離：光在介質(zhì)中傳播的時候，從物點發(fā)出的同心光束相當(dāng)于球面波，球面波經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的時候，其曲率發(fā)生改變。如果是理想的光學(xué)系統(tǒng)，它會形成另外一個球面波。但在實際的光學(xué)系統(tǒng)，會受到投影物鏡自身材料、特性、厚度、粗糙度、環(huán)境等因素的影響，經(jīng)過投影物鏡的出射，波面會發(fā)生變形。實際波面與理想波面之間發(fā)生的偏離就是波像差。波像差直接影響光刻機(jī)成像質(zhì)量、光刻分辨率，因此光刻機(jī)的投影物鏡系統(tǒng)需要對像差像差進(jìn)行校正。
圖表58：像差示意圖
圖表59：光刻機(jī)成像過程
1） 像差調(diào)節(jié)要求高：
為了更好的調(diào)節(jié)像差， 物鏡發(fā)展趨勢為：從“雙腰”到“單腰” 、 引入非球面鏡片與反射式鏡片。

“雙腰” 到“單腰” ：為了實現(xiàn)場曲的矯正，投影物鏡采用的都是“腰肚” 式結(jié)構(gòu)。最初系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)依次為正組， 負(fù)組，正組，負(fù)組，正組，形成“腰肚”，隨著非球面數(shù)量的增加，雙腰結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)逐漸從“ 1.5腰結(jié)構(gòu)” 變?yōu)椤皢窝Y(jié)構(gòu)” ，光學(xué)元件數(shù)減少。
引入非球面鏡片：NA大于0.75時，需引入非球面鏡片。
原因：一方面， 如果采用全球面結(jié)構(gòu)形式，光學(xué)元件的孔徑尺寸及體積隨著 NA 的增加急劇增加；另一方面， 物鏡投影物鏡 NA 增加，分辨率增強(qiáng)，成像質(zhì)量要求也進(jìn)一步提高，采用全球面光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計復(fù)雜度隨之增加。
引入反射式鏡片：NA 大于1.1時， 需采用折反式投影光刻物鏡。加入凹面反射元件。凹面有正的光焦度，對場曲的貢獻(xiàn)是負(fù)值， 凹面鏡能較好的矯正場曲。
ASML DUV高端投影物鏡的像差 ≤2nm。高端單反鏡頭像差最多達(dá)到200+nm，而ASML DUV高端投影物鏡的像差 ≤2nm，因此光刻機(jī)鏡片的平整度要求非常高，同時物鏡內(nèi)還需要可動鏡片，垂直、傾斜和多向修正鏡頭組裝及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的像差，還要盡量消除光損失產(chǎn)生的熱量。
2）工藝精密：光刻機(jī)所要求的鏡面光潔度非常高，需要采用精度最高的打磨機(jī)和最細(xì)的鏡頭磨料，此外還需要頂級的技術(shù)工人。在光學(xué)鏡頭的生產(chǎn)工序中，僅CCOS的拋光就有小磨頭拋光、應(yīng)力盤拋光、磁流變拋光、離子束拋光等超精密拋光高難度工序。蔡司生產(chǎn)的最新一代EUV光刻機(jī)反射鏡最大直徑1.2米，面形精度峰谷值0.12納米， 表面粗糙度20皮米（0.02納米），達(dá)到了原子級別的平坦。
圖表60：投影物鏡與高端單反鏡頭像素差
圖表61：蔡司物鏡參數(shù)
雙工作臺系統(tǒng)：精確對準(zhǔn)+光刻機(jī)產(chǎn)能的關(guān)鍵
光刻機(jī)雙工作臺由兩個工件臺組成， 兩個工件臺同時獨立工作，負(fù)責(zé)完成步進(jìn)運動、曝光掃描、對準(zhǔn)掃描、上下硅片等功能。
雙工作臺工作流程：工作臺分為1號和2號，1）2號工件臺處于物鏡下方，對晶圓進(jìn)行調(diào)平調(diào)焦、曝光、刻片等操作，與此同時1號臺進(jìn)行待刻晶圓的上片下片；2）當(dāng)2號臺刻片完成，工件臺系統(tǒng)進(jìn)行換臺，1號工件臺換到物鏡下方進(jìn)行刻片，2號臺進(jìn)行上片下片， 如此循環(huán)往復(fù)實現(xiàn)光刻機(jī)的高效生產(chǎn)。特點：雙工作臺較原先的單工作臺效率提高了35%，精度提高10%，有效提高了光刻機(jī)的產(chǎn)能。
圖表62：雙工作臺
圖表63：雙工作臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及換臺過程
雙工作臺技術(shù)難點：需要速度快、對準(zhǔn)精度高、運動穩(wěn)定。

1）速度快：目前最先進(jìn)的DUV光刻機(jī)，晶圓的光刻生產(chǎn)速度為300片/h，1個影像單元的曝光成像約0.1秒， 實現(xiàn)這個成像速度，晶圓平臺需以高達(dá)7g的加速度高速移動。7g的加速度意味著從0加速到100km/h只要約0.4秒，F(xiàn)1賽車需要2.5秒。
2）精確對準(zhǔn)：面臨的難點有巨大偏移——芯片制造需一層層向上疊加，每次重疊的誤差稱為套刻精度，要求是1-2nm。晶圓從傳送模組到晶圓平臺上，會產(chǎn)生機(jī)械誤差，一般是數(shù)千納米的偏移。高低差——投影物鏡太大， 對焦點上下可接受的影像范圍小于100nm。而晶圓表面高低不平，累加晶圓平臺的高低差，晶圓表面不同位置的光阻高度可相差500-1000nm。因此每次曝光前，須針對每片晶圓做精密量測，截取到晶圓每一個區(qū)塊納米等級的微小誤差，在曝光階段實時校正。

3）運動穩(wěn)定：穩(wěn)定運動——利用balance mass吸收平衡晶圓平臺所施加于機(jī)座的反作用力，使整座機(jī)臺完全靜止。穩(wěn)定定位——晶圓要在完成量測后，要在極短的曝光時間內(nèi)完美定位，ASML光刻機(jī)可達(dá)到精度為0.06納米的傳感器確認(rèn)精準(zhǔn)定位。穩(wěn)定運作——晶圓平臺為減少磨損采用懸浮的移動方式，達(dá)成極高速的運動和持久穩(wěn)定的運作。
圖表64：TWINSCAN雙工件臺結(jié)構(gòu)示意圖
圖表65：晶圓平臺
為了確保工件臺穩(wěn)定定位、精確對準(zhǔn)。需要用到光柵尺、 TIS傳感器等。

光柵尺用于工作臺的定位。位移測量傳感器有激光干涉儀和光柵尺，由于激光干涉儀對環(huán)境敏感性較高，目前高端機(jī)型較多使用光柵尺。原理：激光光源輸出頻差穩(wěn)定的線偏振方向相互垂直的雙頻激光，一束作為參考差頻信號由光電探測電路接收，另一束傳輸至光柵尺，光柵尺基于光柵多普勒效應(yīng)和光學(xué)干涉原理實現(xiàn)位移測量。
TIS系統(tǒng)用于掩膜工作臺與晶圓工作臺之間的對準(zhǔn)。TIS系統(tǒng)包括①設(shè)置在掩膜工作臺上的TIS標(biāo)識（透光的密集線條）；②晶圓工作臺上的TIS傳感器。TIS標(biāo)識通過光學(xué)成像透鏡系統(tǒng)，投射在晶圓工作臺。晶圓工作臺上的TIS傳感器測出TIS標(biāo)識像強(qiáng)度的空間分布，從而計算出掩膜工作臺上TIS標(biāo)識相對于晶圓工作臺的位置。TIS系統(tǒng)還可以進(jìn)一步確定投影透鏡系統(tǒng)的像差和成像系統(tǒng)的畸變。
圖表66：光柵尺測量系統(tǒng)示意圖
圖表67：TIS對準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖

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