光刻机技术原理与发展趋势
光刻机是芯片制造的核心设备之一，按照用途可以分为好几种：有用于生产芯片的光刻机；有用于封装的光刻机；还有用于LED制造领域的投影光刻机。用于生产芯片的光刻机是中国在半导体设备制造上最大的短板，国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。
先说说一般的“冲印照片”的过程。假设拍的是风景，胶片上会有曝光痕迹，先要在暗室里显影，让风景在胶片上显示出来。然后在红光下通过放大机，把胶片上的风景投射到相纸上，让相纸曝光。再通过相纸的显影、定影、烘干得到最终的照片。除了风景之外，“照片冲印”需要有胶片，有光源、放大机、相纸。
光刻机制作芯片的过程，基本和“冲印照片”一样。在光刻机中，“风景”就是设计好的集成电路图（IC），“胶片”就是一块石英板（光罩），用来记录集成电路图，“相纸”就是硅晶圆，“放大机”就相当于光刻机。所不同的是，洗照片是放大，把小胶片放大到相纸上，光刻机是缩小，把电路图缩小到晶圆上。
光刻机的原理虽然简单，但对精度的要求极其地高。7纳米什么概念？1颗原子的大小是0.1纳米，7纳米就是70个原子。所以EUV光刻过程是在真空环境下进行的，因为空气分子也会干扰EUV光线。而且机械的动作精度度以皮米计（万亿分之一米）。光刻机上反射镜是核心部件，反射镜的精度以皮米计（万亿分之一米）。ASML总裁曾说过，如果反射镜面积有德国那么大（大概是山东、河南两省面积之和），最高的突起不能超过1厘米。
准分子激光（Excimer laser），利用电子束激发惰性气体和卤素气体结合形成的气体分子，向基态跃迁时所产生激光，特色是方向性强、波长纯度高、输出功率大，例如 KrF （248 nm）、 ArF（193 nm）和 F2（157 nm）等。
使用 193 nm ArF光源的干法光刻机，其光刻工艺节点可达 45 nm，采用浸没式与光学邻近效应矫正等技术后，其极限光刻工艺节点可达 28 nm。
光刻机光刻的工作原理也是类似，如下图所示，光源通过掩膜版照射到附有一层光刻胶薄膜的基片表面，引起曝光区域的光刻胶发生化学反应，再通过显影技术溶解去除曝光区域或未曝光区域的光刻胶（前者称正性光刻胶，后者称负性光刻胶），使掩膜版上的图形被复制到光刻胶薄膜上，最后通过刻蚀技术将图形转移到基片上。
光刻机根据用途的不同，可以分为用于生产芯片、用于封装和用于LED制造。
按照光源和发展前后，依次可分为紫外光源（UV）、深紫外光源(DUV)、极紫外光源（EUV）。按照发展轨迹，最早的光刻机光源即为汞灯产生的紫外光源（UV）。之后行业领域内采用准分子激光的深紫外光源（DUV），将波长进一步缩小到ArF的193 nm。由于遇到了技术发展障碍，ArF加浸入技术成为主流。浸入技术是指让镜头和硅片之间的空间浸泡于液体之中。由于液体的折射率大于1，使得激光的实际波长会大幅度缩小。目前主流采用的纯净水的折射率为1.44，所以ArF加浸入技术实际等效的波长为193 nm/1.44=134 nm。从而实现更高的分辨率。由于157 nm波长的光线不能穿透纯净水，无法和浸入技术结合。因此，准分子激光光源只发展到了ArF。其后，为了提供波长更短的光源，极紫外光源（EUV）为业界采用。目前主要采用的办法是将二氧化碳激光照射在锡等靶材上，激发出13.5 nm的光子，作为光刻机光源。
制程工艺尺寸进化到 22 nm，已经超越浸没式 DUV 的蚀刻精度，于是行业开始导入两次图形曝光工艺，以间接方式来制作线路;即不直接曝光管线部分，而是先曝光出两侧管壁，间接形成线路区域。两次曝光虽然能制作比光源精度更高的集成电路，但副作用是光刻次数与掩模数量大增，造成成本上升及生产周期延长，所以波长更短、精度更高的光源，才是提升制程能力的关键。对于使用浸没式+两次图形曝光的 ArF光刻机，工艺节点的极限是 10 nm。 EUV光刻机可望使工艺制程继续延伸到 7 nm与 5 nm。
光刻机按照曝光方式可分为接触式光刻、直写式光刻、投影式光刻。接近或接触式光刻通过无限靠近，复制掩模板上的图案；直写式光刻是将光束聚焦为一点，通过运动工件台或镜头扫描实现任意图形加工。投影式光刻光刻因其高效率、无损伤的优点，是集成电路主流光刻技术。实际上，我们可以将投影式光刻想象为胶片摄影。胶片摄影是通过按下快门，光线通过镜头投射到胶卷上并曝光。之后通过“洗照片”，即将胶卷在显影液中浸泡，得到图像。
EUV工艺聚集了多个领域的顶尖技术。 EUV要具备量产性，有几个技术瓶颈必须克服;首先在光源上。极紫外光的波长为 13.5nm，这种光容易被包括镜头玻璃内的材料吸收，所以需要使用反射镜来代替透镜;普通打磨镜面的反射率还不够高，必须使用布拉格反射器（Bragg reflector，一种复式镜面设计，可以将多层的反射集中成单一反射）。
此外，气体也会吸收 EUV并影响折射率，所以腔体内必须采用真空系统。为了解决 EUV的光源问题，2012年 10月，阿斯麦斥资 19.5亿欧元，收购其关键的光学技术提供商 Cymer，加速极紫外光（EUV）相关技术的开发。公司 2017年的 EUV设备 NXE 3400B，成功提高光源功率与精度，实现约 13纳米的线宽，并且采用磁悬浮系统来加速掩模及工作台，预期吞吐量可达每小时 125片晶圆，微影迭对（overlays）误差容许度在 3纳米以内。
一台EUV光刻机重达180吨，超过10万个零件，需要40个集装箱运输，安装调试都要超过一年时间。
参考链接
