关于光刻机的专业,光刻机涉及什么专业

光刻机是什么(光刻机是什么专业学的)

光刻机是半导体领域不可缺少的设备。无论制造什么样的芯片，都离不开光刻机。如果说aero 空发动机代表了人类科技发展的顶级水平，那么光刻机就是半导体行业最耀眼的明珠。具有技术难度最高、单位成本最高、集成密度确定的特点。

今天我们就来学习一下面膜对准器。

光刻机的工作原理

在整个芯片制造过程中，几乎每一道工序都离不开光刻。光刻也是芯片制造中最关键的技术，占芯片制造成本的35%以上。

芯片的IC设计完成后，需要委托晶圆代工厂进行芯片的制造和封装。

在芯片制造中，晶圆是必不可少的。硅棒是从石英砂等二氧化硅(SiO2)矿石中，通过一系列的化学和物理熔炼方法提纯出来的，然后切割成圆形的单晶硅片，就是晶圆。

从硅棒上切割下来的晶片

晶圆是制造各种电脑芯片的基础。我们可以把芯片制造比作用积木盖房子，通过一层一层的堆叠，完成想要的形状(也就是各种芯片)。但是，如果没有好的地基，建起来的房子就会歪歪扭扭的，这不是你想要的。为了做出一个完美的房子，你需要一个稳定的基板。对于芯片制造，该衬底是晶片。

光刻是一种精密的微加工技术。常规光刻是利用波长为2000 ~ 4500埃的紫外光作为图像信息的载体，以光刻胶作为中间(图像记录)介质，实现图像的转换、转移和处理，最终将图像信息转移到晶片(主要是硅片)或介质层上的工艺。

光刻就是制作芯片制作所需的电路和功能区域。简单来说，芯片设计师设计的电路和功能区被“打印”到晶圆上，类似于相机摄影。相机拍摄的照片印在底片上，但电路图和其他电子元件是用光刻法蚀刻的，而不是照片。

就像一个原始的空空大脑。只有用光刻法把指令放进去，这个大脑才能工作，电路图和其他电子元件都是芯片设计者设计的指令。

包括两个主要方面:光刻和蚀刻。

影印工艺:将预先制作在掩膜版上的器件或电路图形，按照所需位置，通过曝光系统准确地转移到晶片表面或介质层上预先涂好的薄光刻胶层上。

刻蚀工艺:用化学或物理方法去除光刻胶薄层未掩蔽的晶片表面或介质层，从而在晶片表面或介质层上获得与光刻胶薄层图案完全一致的图案。集成电路的功能层三维重叠，因此光刻工艺总是重复多次。比如大规模集成电路需要10次左右的光刻才能完成各层图形的全部转移。

影印技术是光刻机，蚀刻技术是蚀刻机。

在光刻技术的原理下，人们制造了光刻机。掩模对准器通过一系列光源能量和形状控制装置使光束穿过具有电路图的掩模。物镜补偿各种光学误差后，电路图按比例缩小，然后映射到晶片上。不同光刻机的成像比例不同，从5:1到4:1不等。然后，用化学方法将刻在晶圆上的电路图(即芯片)显影。

一般的光刻工艺要经过硅片表面清洗干燥、打底、旋涂光刻胶、软烤、对准曝光、后烤、显影、硬烤、激光刻蚀等工序。一次光刻后，芯片可以继续胶合和曝光。芯片越复杂，线路图层数越多，要求曝光控制工艺越精确。现在有30多种高级芯片。

可以说，光刻决定了半导体电路的精度，以及芯片的功耗和性能，相关设备需要集成材料、光学、机电等领域最前沿的技术。

芯片内部结构

光刻机的种类

掩膜版光刻机有很多种，根据用途可以分为几种:生产芯片用的掩膜版光刻机；有包装用的光刻机；在LED制造领域也有投影掩模对准器。用于生产芯片的光刻机是中国半导体设备制造最大的短板。

因为光刻机是通过光的照射，用投影法在涂有光刻胶的硅片上的掩膜上画出LSI器件的结构图形，光刻胶的成分通过光的照射发生化学反应，从而产生电路图。限制成品的最小尺寸直接关系到光刻系统的分辨率，降低照射光源的波长是提高分辨率最有效的方法。

最早的掩膜版光刻机采用接触式光刻，即掩膜贴在硅片上进行光刻，容易造成污染，掩膜使用寿命短。之后，邻近掩模对准器改进了接触掩模对准器。气垫在掩模和硅晶片之间产生小的空间隙。掩模和硅片不再直接接触，但由于气垫的影响，成像精度不高。

根据所用光学百特网源的改进和双台、浸没式光刻等光刻新技术的创新发展，光刻机经历了五代产品的发展，光源的每一次改进都显著提高了盛光刻机的工艺流程水平，以及生产效率和良率。

现在广泛使用的光刻机可以分为干式和浸没式。在45纳米以下的高端光刻机市场中，ASML是目前市场的领导者，占据80%以上的市场份额。

目前，最先进的光刻机称为EUV光刻机。目前华为麒麟990 5G版首次采用7nm EUV技术。EUV技术也被称为极紫外光刻，它使用波长为10-14纳米的极紫外光作为光源。为了采用波长为13.4nm的紫外光，第1-4代光刻机使用的光源都是深紫外，而第5代EUV光刻机是极紫外。

根据瑞利公式(分辨率=k1/NA)，这样短的波长可以提供极高的光刻分辨率。大约在1985年，半导体行业的科学家们已经对EUV技术进行了理论上的讨论，并做了许多相关的实验。

在摩尔定律下，在科技飞速发展的信息时代，半导体行业人员对半导体的未来发展充满忧虑。因此，我们希望通过新的光刻技术对目前的芯片制造方法进行全面的改进，推动半导体产业进入新的发展阶段。

ASML是光刻机的龙头企业，1999年开始研发EUV光刻机，原计划2004年推出产品。然而，直到2010年，ASML才研发出第一台EUV原型机，并于2016年实现为下游客户供应百特网络，比预期晚了十多年。直到2019年，首款7nm EUV工艺的芯片Exynos 9825才正式商用。

光刻机EUV上市时间表持续推迟主要有两个原因。一是所需光源功率无法满足250W的工作功率要求；第二，光学透镜和反射镜系统要求极高的光学精度，这使得生产极其困难。到2020年，手机主流旗舰芯片将采用EUV技术。

中国光刻机的发展现状

受《瓦森纳协定》影响，《瓦森纳安排》规定，成员国自行决定是否对敏感产品和技术发放出口许可证，并在自愿的基础上向其他成员国通报相关信息的安排。但“安排”实际上完全由美国控制。所以过去几年中国一直无法获得最新的光刻机。直到2018年，SMIC斥资1.2亿美元从荷兰顶级光刻机制造商ASML公司订购了一台拥有最先进EUV(极紫外)技术的光刻机。

相比西方国家，中国一直缺乏半导体生态，这也制约了光刻机的发展，中国。比如在国外，IC设计师和晶圆代工厂直接用光刻机进行技术交流和支持，从而形成了完整的产业链，拥有完整的半导体生态。光刻机制造商可以生产出最适合IC设计者和晶圆加工厂的设备，而IC设计者和晶圆代工厂对光刻机制造商的技术对接和支持促进了光刻机设备的技术发展。

例如，在中国台湾省TSMC林本建创新性地提出浸没式光刻的思想后，ASML开始与TSMC合作开发第四代浸没式光刻机，并于2007年成功推出第一台浸没式光刻机TWINSCANXT:1900i。这款设备以折射率为1.44的去离子水为介质，实现了45nm工艺，一举垄断市场。

结果尼康和佳能当时推广的157nm光源干式光刻机被市场抛弃，不仅损失了巨大的人力物力，产品线也明显落后于ASML。这也是尼康和佳能由盛转衰的重要转折点，ASML成为主导公司。一方面，这巩固了TSMC在铸造方面的领先地位，使TSMC掌握了最先进的制造技术，促进了TSMC的发展。

中国市场没有这样的半导体生态。除了海思，上下游半导体厂商都没有在世界领先的半导体厂商中反哺产业链。2017年梁孟松加盟SMIC后，SMIC掌握了12nm的加工技术，远远落后于TSMC。

目前，上海微电子已在封装光刻机、LED光刻机等领域取得突破。公司的包装光刻机已在国内外市场广泛销售，占国内市场的80%，全球市场的40%。而用于生产芯片的光刻机，目前只掌握了90nm的光刻机，上海微电子目前正在攻克45nm技术。

上海微电子设备有限公司光刻机现场展示

至于中国研发成功的曝光，紫光超分辨率光刻机实现22nm工艺，经过多次曝光技术，可用于制造10nm芯片。纯属误会。紫光超分辨率光刻机适合特殊应用，类似的应用范围是光纤，5G天线，集成电路领域用不了。

超分辨率光刻设备处理的4英寸光刻样品

为什么制造掩模对准器如此困难？光刻机需要体积小、功率高、稳定性好的光源。ASML的顶级光刻机使用短波长的极紫外光，其光学系统极其复杂。光刻机中央的透镜由20多个大锅底的透镜串联而成。得到高纯度的透明材料和高质量的透镜抛光。ASML的镜头基于蔡司技术。镜片材质的统一需要几十年到上百年的技术积累。有些德国的镜片打磨工，祖孙三代，在同一家公司的同一个岗位。

有顶级的镜头和光源，没有极致的机械精度是没用的。光刻机中有两个同步移动的工作台，一个用于底片，另一个用于胶片。两者应该总是同步的，误差小于2nm。两个表从静态到动态，加速度和导弹发射差不多。然而，中国仍然缺乏这种核心设备，需要从海外进口。

中科院院士刘明表示，虽然近年来我国在关于光刻机的很多领域都取得了进展，但总体来看，国产光刻机技术与国外技术还有15到20年的差距。

目前中国在蚀刻机领域已经突破5nm，甚至与世界还有差距。我们也希望有一天能利用光刻机领域的落后优势，去追赶与世界的差距。

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