一文详解半导体工艺及光刻机技术

虎威将军

文章来源：半导体全解
原文作者：圆圆De圆

本文详细介绍了半导体工艺和光刻机的相关知识。

一、集成电路的诞生

1946年2月，世界上第一台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）在美国诞生，它是一个重达30吨的庞然大物，使用了17468只电子管、7000只电阻、10000只电容，耗电量150千瓦。





1947年12月23日，美国贝尔实验室制造出来了第一个晶体管。晶体管具有电子管的主要功能，并且克服了电子管体积大、耗电量大、结构脆弱的缺点。
1956 年的诺贝尔物理奖授予了晶体管的三位发明者：John Bardeen、William Shockley 和 Walter Brattain。在晶体管发明后，很快就出现了基于半导体的集成电路的构想。
1952年，英国雷达研究所的科学家Geoffrey Dummer在一次会议上提出：如果把电子线路中的分立元器件集成在一块半导体晶片上，则电子线路的体积将大幅缩小，可靠性也会提高。这就是初期集成电路的构想，晶体管的发明使这种想法成为了可能。
下图就是发明晶体管的三剑客和全球首发的晶体管雏形。



在1958~1959期间，德州仪器公司的Jack Kilby与仙童公司的Robert Noyce 间隔数月分别发明了锗集成电路和硅集成电路，开创了世界微电子学的历史。
Jack Kilby获得了2000年的诺贝尔物理学奖（Robert Noyce已于1990年去世）。




集成电路是现代信息社会的基石，已经在各行各业中发挥着非常重要的作用，如电视机、计算机、通讯、人工智能、虚拟现实设备等。



二、摩尔定律

1965年4月19日，英特尔（Intel）创始人之一、时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的Gordon Moore应邀为《Electronics Magazine》杂志35周年专刊写了一篇观察评论报告，题目是：“Cramming More Components Onto Integrated Circuits” （把更多的元件填进集成电路）。文中预言半导体芯片上集成的晶体管数量将每年增加一倍，这就是著名的摩尔定律。1975年，摩尔在IEEE国际电子组件大会上，根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正，把“每年增加一倍”改为“每两年增加一倍”。后来，时任Intel执行主席David House综合考虑晶体管数量和增长速度等因素，将该周期更新为18个月。摩尔定律更为准确的表述是：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件数目，每隔18至24个月增加一倍，性能也将提升一倍。在40多年内，微处理器上集成的晶体管数目与摩尔定律的预测值相符合。集成电路制造技术是人类科技史上发展最为迅速的一项技术，其性价比在过去的40年内提高了6个数量级。
在半导体工业中，摩尔定律已被用于指导制定长期的科研与发展计划。微处理器的价格、存储器容量、传感器以及数码相机的像素尺寸等的进步，都与摩尔定律有紧密联系。
通常有三种方法提高集成电路的性能：缩小单个晶体管的特征尺寸、增大芯片的尺寸和优化电路结构。
考虑到电子设备小型化的发展趋势，缩小单个晶体管的特征尺寸是集成电路发展的最主要方法。晶体管尺寸的减小可以降低功耗，提高集成电路的响应速度，增大芯片上单位面积内的晶体管数量。最小特征尺寸（smallest feature size）也称关键线条（critical dimention，CD），还可叫作节点 （node）。
当前，半导体制造行业依然孜孜不倦地挑战摩尔定律极限。其3nm制程已实现量产，2nm制程处于研发阶段，而1nm制程的研发也已提上了日程。反观老牌龙头因特尔，迟迟无法实现制程的突破，甚至谋求台积电代工，以分得些许高端芯片的全球市场份额。



摩尔定律是一种基于数据统计的推测，而非物理或自然的规律。为了维持摩尔定律，每年需要投入的研发资本将呈指数形式增长，此被称为摩尔第二定律。另外，由于特征尺寸快要达到物理极限，技术节点将难以按照摩尔定律所预测的速率推进下去。业界提出More Moore和More than Moore两条路径，通过采用新架构或新材料来维持半导体行业的发展。一是遵循摩尔定律，致力于晶体管的不断缩放以提高性能，从而进一步提升性能和降低功耗，即More Moore。二是拓展摩尔定律，通过电路设计、系统算法优化或封装技术来提高芯片的性能，即More Than Moore。

三、半导体芯片制造技术
集成电路的制造包括近800道物理、化学工序，主要有5个制造阶段：晶圆（Wafer）的制备、芯片制造、芯片检测、芯片封装和验收测试。
其中半导体芯片生产主要涉及IC设计、IC制造、IC封测三大环节。



核心IC制造环节是将芯片电路图从掩膜转移至硅片上，并实现对应功能的过程，包括光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨等步骤。




芯片的制造需利用光刻（Lithography）技术。光刻是以一种光敏感聚合物（光刻胶）为主要材料的照相制版技术，目的是将整套集成电路图案刻蚀在晶圆上。

单词“Lithography”来源于希腊词语“lithos”和“graphia”，前者意为“石头”，后者意为“写”。所以，“光刻”的字面意思是“在石头上书写”。在芯片制造过程中，集成电路的信息被写进了光刻胶。
光刻的成本约占整个芯片制造成本的1/3，耗费时间约占整个芯片工艺的40-60%，是大规模集成电路制造过程中最复杂、昂贵和关键的工艺。
一般的光刻工艺要经历八道工序：气相成底膜、旋转涂胶、软烘、对准曝光、后烘 、显影、坚膜烘焙和检测。



光刻工序的主要步骤如下：

前处理：对晶圆衬底的清洗通常用丙酮%28Acetone%29清除污迹，再用酒精处理掉丙酮，最后用去离子水%28DI water%29清洗干净，用氮气吹干样品。
涂胶：将光刻胶均匀涂抹在晶圆表面。
前烘：烘干光刻胶，去除其中的溶剂，使之成型。
对准曝光：将掩膜的图案投影到光刻胶上。有时需要对同一基底进行多次曝光，这要求每次对准的位置十分精准，才能使得多次光刻不会互相影响。
后烘：目的是减少驻波效应，并使光刻胶的曝光部分易于溶解于显影液（正光刻胶）。
显影：显影是为了去除掉变性的光刻胶，以形成同掩膜板一样的样品表面。
硬烘（Hard Baking）：有四个目的，其一是完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂，以免污染后续的离子注入环境；其二是坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护其下晶圆片的能力；其三是进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；其四是进一步减少驻波效应。
刻蚀掺杂：利用曝光后的样品模式，刻蚀后可形成需要的样品，该过程也称为图形转移（Pattern transfer）。
去胶：将残余光刻胶清洗干净，之后同样需要烘烤，以形成坚固的成品。
通常，要经过25至40次的反复曝光和刻蚀，才能将一个包含数百万个晶体管及相应导线的集成电路图案复制到晶圆上。
集成电路发展至今，电路集成度提高了6个数量级，主要归功于光刻技术的进步。随着器件和电路特征尺寸的不断缩小，光刻工艺已成为微电子技术进一步发展的主要瓶颈。
四、芯片性能的发展
光刻技术之所以重要，因为光刻工艺决定了晶体管尺寸的大小！
晶体管是芯片的基本单元，一片硅片由数千、数万或数亿的晶体管组成。



如上图，在晶体管的栅区和衬底间加上电压后，电流可以从源区传递到漏区，形成电信号，而源区和漏区对应的两个N—阱间的距离即为导电沟道的长度，该长度即晶体管的尺寸，即线宽，也就是我们常说的芯片制程。

由于晶体管中的电子一般以饱和速度运行，因此信息传递速度由导电沟道长度决定。晶体管导电沟道越短，则信号传递速度越快，单位时间内芯片处理的信息越多；同时，单位面积芯片的晶体管也更多，成本相应降低。
因此，晶体管线宽指标越小代表了芯片性能越好，即芯片制程有逐步减小的技术需求，而光刻工艺决定了晶体管尺寸的大小及制程技术节点的推进。
下图是晶体管结构及线宽发展路线图：



五、光刻机设备结构

光刻技术实质上是IC芯片制造的图形转移技术，该图像转移的过程包括把设计图纸上的图形转移到掩膜基板上，再把掩膜版上的图形转移到晶圆表面光刻胶上，最后再把晶圆表面光刻胶图形转移到晶片上，整个图形转移过程涉及到的光刻机类别众多。
根据工作原理进行分类，按照光刻时是否使用掩膜，将光刻机分为掩膜光刻以及无掩膜光刻。其中，掩膜光刻包含接触式光刻机、接近式 光刻机和投影式光刻机；无掩膜光刻包含激光直写光刻机、纳米压印光刻机等，具体分类如下图所示。



根据曝光时掩膜版与衬底间的位置关系，掩膜光刻可分为接触式、接近式和投影式光刻。其中，在投影式光刻中，根据曝光过程中掩膜和晶圆的移动方式，可进一步细分为扫描投影光刻机、步进重复光刻机和步进扫描式光刻机。




当前中高端光刻机市场，仍然以阿斯麦（ASML）为行业龙头，其市占率高达七成以上。与之相比，尼康虽然在同级别产品中具有很大的价格优势，但业内口碑一般，其全球市场份额也仅为一成，捉襟见肘。

近年来，阿斯麦与其三大股东——英特尔、三星、台积电结成利益共同体，致力于不断挑战并实现摩尔定律。
值得注意的是，阿斯麦非常注重对研发的投入，即使在亏损时期也没有降低研发成本，因此从根本上保证了其前瞻性和延续性。
投影光刻机主要由光源、照明系统、掩膜台、投影光刻物镜和晶圆控制系统组成，如图所示。



%281%29光源：光源系统是光刻设备的核心，光源波长决定工艺能力 ，光刻机的技术进步也是波长不断缩短的过程。

光源为光刻机提供稳定频率、能量的光能，光源功率的大小决定了光刻机的产能。Cymer是光刻机光源的重要供应商之一，已推出一系列产品，包括氟化氪（Krypton Fluoride，KrF）光源、氟化氩（Argon Fluoride，ArF）光源和极紫外光源。

光源波长越短，则晶体管线宽越小，芯片性能越强。光源发出的光束经照明系统后穿过掩膜版，再由投影物镜系统将掩膜版上的电路图形复制到硅片表面。



%282%29照明系统：照明系统作为光刻机的核心部件之一，其作用是将光源发出的光束进行整形匀化后照明掩膜面，再由投影物镜系统将掩膜面上的图形复制到硅片表面。

照明系统光路：光源经过扩束准直与传输后进入光瞳整形单元，然后再经过照明匀化单元来实现特定分布的照明光场。扫描狭缝用来确定曝光视场尺寸和中心位置，控制曝光剂量，并与掩膜台和硅片台完成同步扫描曝光。

中继镜组位于扫描狭缝与掩膜版之间，负责将扫描狭缝上的照明光场中继成像到掩膜面上。



%283%29掩膜台：即光刻物镜的物面，是放置掩膜板的地方，其能进行多自由度调整，并且在步进-扫描（Step and Scan）曝光模式中，与晶圆台配合实现掩模板与晶圆的极高精度的同步步进和扫描。








%284%29投影光刻物镜：是光刻机的核心部件，将掩膜图案无失真地投影在晶圆上，其成像质量的指标极其苛刻，通常要求波像差与畸变都要在1nm左右。

光刻机的分辨率R与光源波长λ和NA的关系可表示为公式。



式中， k1是工艺因子。随着集成电路特征尺寸的不断缩小，光刻机的分辨率不断提高，投影光刻物镜也向着大NA、短波长的方向发展。

顺便提一下，越高端的光刻机，遇到的光学问题越复杂，只有对光学研究越深入，才能将设备整体性能提升。
光线是一种电磁波，所以具有波粒二象性。



光线在传播过程中有相互影响，可能相互加强，也可能相互减弱：




光学镜片投影过程中存在因透镜结构、光线波长等因素造成的球差、彗差、散焦、场曲、色差等问题。随着光刻机的数值孔径增大，分辨率下降，为了能刻蚀尽可能精细的线条，在物镜实际工作过程中，全视场的波前像差均方根至少要小于0.07λ，像面弯曲要求小于几十纳米，畸变也不能超过几纳米。基于不同的像差、色差等问题，光刻工艺对投影物镜的制作提出更高的要求。




由于单片投影物镜存在球差、色差等问题，因此在实际应用中，需要通过组合投影物镜进行纠正。随着数值孔径的增加，分辨率达到衍射极限，所以对于像差的精准度也相应提高，包括了对环境控制、冷镜头/热镜头的像差补偿、镜头表面平整度等的极致要求。




下图展示了193nm光刻物镜的发展，分辨率从130 nm提高至45nm。

为了实现高NA，从StarlithTM 1100型号起，光刻物镜开始采用非球面透镜，从 StarlithTM 1700i 型号起，开始采用像方浸液式和折反射式结构。




投影光刻物镜的发展历程，物镜的结构主要经历了以下几种形式：折射式、折射式+非球面元件、折射式+非球面元件+像方浸液、折反式+非球面元件+像方浸液。
折射式全球面结构形式的NA的极限为0.75左右，加入非球面可提高到0.9左右。如果要在193nm波段进一步提高NA，则需采用浸没式的结构形式，即把像面浸入去离子水中。
浸没折射式能达到NA1.0以上，浸没折反射式能到到NA 1.35。



为了更精细地控制光刻物镜的波前，提出了FlexWave系统，如图所示。
FlexWave系统包含一个位于光瞳面的光学元件，元件上布置了一系列相互独立的传导和电阻结构，这些结构很微小，不会对光束产生遮挡和散射而影响物镜的成像。通过控制这些传导和电阻结构的电流，可对光学元件的特定区域进行加热，可以使元件上产生可控的温度分布，从而达到补偿像差的目的。

当FlexWave工作时，需要对元件进行并行地降温，这是为了使FlexWave光学元件上的温度分布平稳恒定，同时保证其热量不会对周围的光学元件造成干扰。



%285%29晶圆控制系统：晶圆控制系统在光刻机曝光过程中对晶圆进行装载、对准、 步进、扫描、和卸载，是极其精密的机械系统。




六、结论：

光刻机之复杂程度堪称人类科技之巅。一方面，光刻机制造是多学科交织的极其复杂的工程，其研发集成了精密光学、精密运动学、高精度微环境控制、算法、微电子、高精度测控等多学科全球最顶尖工程师和科学家的智慧。
另一方面，光刻机是一整套完整的纳米工业体系，要产出纳米级精度的芯片，需要其背后的光源系统、光学镜头系统、精密运动和环境控制系统、测量系统、聚焦系统、对准系统等模块全部达到纳米级精度，并且高度集成和协同，每一个子系统的技术迭代成果均蕴含了该领域最前沿的高精尖技术。
毫不夸张地说，光刻机是人类工业文明的巅峰之作，是现代工业体系皇冠上的明珠。

参考文献：
%281%29徐象如高数值孔径投影光刻物镜像质补偿策略与偏振像差研究[D].
%282%29李晶高NA投影光刻物镜波像差检测技术研究[D].
%283%29华福证券光刻机行业深度报告：博采众星之光，点亮皇冠明珠[C].
%284%29民生证券 掩膜版行业深度报告：光刻蓝本亟待突破，国产替代大有可为[C].
%285%29尚红波浸没光刻投影物镜光学设计与像差补偿研究[D].
%286%29芮大为光刻照明系统光学设计与补偿策略研究[D].
%287%29许伟才投影光刻物镜的光学设计与像质补偿[D].
%288%29周泽龙投影光刻物镜偏振像差研究[D].
%289%29赵磊投影光刻物镜像质补偿策略与补偿技术研究[D].

END

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编辑：薛定谔的猫
责编：六块钱的鱼
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