探秘光刻机：芯片制造的核心利器

一、光刻机：芯片制造的关键角色

光刻机在芯片制造中占据着至关重要的地位，被誉为芯片制造的核心设备，是半导体产业皇冠上的明珠。芯片的加工过程对精度要求极高，光刻机通过一系列复杂的技术手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图。越复杂的芯片，线路图的层数越多，就需要更精密的光刻机。

从成本上看，在整个集成电路的制造过程中，光刻一般会耗费总成本的 30%，耗费时间约占整个硅片工艺的 40%-60%。光刻机的制造和维护需要高度的光学和电子工业基础，能够掌握这项技术的厂商寥寥无几。目前，全球光刻机市场主要被荷兰、日本几家公司垄断，CR3（前三大公司市场份额）高达 99%。其中，荷兰的 ASML 公司在高端光刻机领域几乎垄断了整个市场，占据超过 70% 的高端光刻机市场。2018 年我国半导体设备十强单位完成销售收入 94.97 亿元，同比增长 24.6%。国内光刻机厂商有上海微电子、中电科集团四十五研究所、合肥芯硕半导体等。上海微电子是国内顶尖的光刻机制造商，已实现 90nm 节点光刻机的量产，并有望延伸至 65nm 和 45nm。由于制程上的差距非常大，国内晶圆厂所需的高端光刻机只能完全依赖进口。

二、光刻机的工作原理

（一）光刻技术的基础

光刻技术在整个芯片制造工艺中起着举足轻重的作用，它占芯片制造成本的 35% 以上。光刻技术就如同芯片制造的基石，没有它，芯片的生产将无从谈起。

光刻技术主要通过光复印和刻蚀工艺将芯片设计图案印进晶圆。光复印工艺是经曝光系统将预制在掩模版上的器件或电路图形按所要求的位置，精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层上。而刻蚀工艺则利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。集成电路各功能层是立体重叠的，因而光刻工艺总是多次反复进行，例如大规模集成电路要经过约 10 次光刻才能完成各层图形的全部传递。

（二）具体工作流程

光刻机的工作流程十分复杂且精细。首先是硅片表面清洗烘干，确保硅片表面的洁净度，为后续的工艺步骤奠定基础。接着进行涂底，为旋涂光刻胶做准备。然后，在硅片上旋涂光刻胶，光刻胶有正性和负性之分，其作用是在后续的曝光过程中，通过光的照射使光刻胶的成分发生化学反应，从而形成所需的电路图形。

软烘环节可以使光刻胶中的溶剂挥发一部分，增强光刻胶与硅片的附着力。之后进行对准曝光，这一步要求极高的精度，将掩模版上的电路图形精确地投影到涂有光刻胶的硅片上。后烘进一步固化光刻胶，提高其稳定性。显影过程中，被光照到的地方光刻胶会被溶解，没有光照到的地方光刻胶保留下来，从而在光刻胶上刻蚀出所需图形。硬烘则是为了增强光刻胶的抗刻蚀能力。最后进行激光刻蚀，将光刻胶上的图形转移到硅片上。

对于复杂的芯片，由于线路图的层数更多，需要更精密的曝光控制过程。现在先进的芯片有 30 多层，每一层的光刻都需要与其前一层进行精准的对齐，以保证上下层薄膜图案的相对位置与设计位置相吻合。这就要求光刻机在每一次光刻过程中，都要严格控制各种参数，确保精度和稳定性。

三、光刻机的种类

光刻机按照用途可以分为用于生产芯片的光刻机、用于封装的光刻机和用于 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。目前，光刻机主要分为 EUV 光刻机和 DUV 光刻机。DUV 是深紫外线，EUV 是非常深的紫外线。DUV 使用的是极紫外光，而 EUV 光刻机则采用波长更短的极紫外光，能够实现更高的分辨率和更小的制程。

用于封装的光刻机主要应用于高密度异构集成领域，具有高分辨率、高套刻精度和超大曝光视场等特点。例如上海微电子推出的新一代大视场高分辨率先进封装光刻机，可帮助晶圆级先进封装企业实现多芯片高密度互连封装技术的应用，满足异构集成超大芯片封装尺寸的应用需求。该产品投影物镜系统全面升级，能够满足 0.8μm 分辨率光刻工艺需求，极限分辨率可达 0.6μm；通过升级运动、量测和控制系统，套刻精度提升至≤100nm，并能保持长期稳定性；曝光视场可提供 53mm×66mm 和 60mm×60mm 两种配置。

用于 LED 制造领域的投影光刻机主要用于制造 LED 芯片。它通过将特定的图案投影到 LED 晶圆上，实现对 LED 芯片的制造。

总之，不同用途的光刻机在各自的领域发挥着重要作用，而中国在生产芯片的光刻机领域仍面临着巨大的挑战，需要加大研发投入，提高自主创新能力，以实现半导体产业的国产化。

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