光刻机是什么东西？

这是啥啊？

在这里介绍用于芯片制造中的光刻机。

首先，光刻机就是进行光刻的机器。那么，下一个问题将会是，光刻到底是什么技术。我觉得要理解光刻这个概念，可以先从它的英文名开始。光刻的英文是Lithography，原意是石版印刷术。就是将图纸上的图案，通过各种化学和物理的过程转移到石头上的技术。石版印刷Lithography与照相术Photography有什么区别呢？那就是Lithography是一个三维的过程，而Photography是一个二维的过程。


那么对于芯片制造中的Lithography也是类似的，也是将图案从图纸上转移到石头上。不过这里的图纸我们叫做光掩膜，英文是Photomask或者reticle；这里的石头，就是单晶硅晶圆了。而光刻这个翻译也是非常地传神，它告诉你，这是通过用光去雕刻实现的。

比如如果我们用小刀去制作雕像的话，一些局部的细节我们顶多与小刀的厚度差不多；这也是为何会采用光去雕刻，因为光的波长只有上百纳米级，很小。这也是为何当芯片制程到了纳米级别后，就会越来越困难了，以及这也是为何要去做极紫外，因为那是更加精细的小刀。

光刻机，从原理上来说就是使用光来雕刻。在制作好的硅晶圆上，涂上一层感光材料后，用紫外线或者深紫外光光线将设计好的芯片图纸照射到硅晶圆上，被照射后硅晶圆就会形成很多高低不平的凹槽，等待氧化后，再用分子束外延技术，将可以导电的多晶硅覆盖在晶圆的表面上，多次重复以上的步骤，芯片就完成了。






第一张图就比较接近原理。
第二张图主要是三种不同的方式：第一种是接触式曝光，我们可以看见的是掩膜版直接与光刻胶层接触 曝光出来的图形与掩膜版上的图形分辨率相当，设备简单。根据施加力量的方式的不同又分为：软接触，硬接触和真空接触。第二种是接近式曝光，掩膜版与光刻胶基底层保留一个微小的缝隙（gap），这样可以有效避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜版损伤，使掩膜和光刻胶基底能耐久使用，掩膜寿命长，图形缺陷少。第三种是投影式曝光，在掩膜版与光刻胶之间使用光学系统聚集光实现曝光。
第三张图就是一种光刻机的示意图。


这张图中所描述的是分辨率的公式，这可以说是最最基础的，我们以后想在光学方面去提升的话可以考虑这个。
最后展望一下未来的可能：光量子技术，一种利用最先进的量子技术来开发芯片的技术（答主不太了解相关的知识）还有一种是可以用冰刻技术（西湖大学仇旻教授）水蒸气通过凝华的方式沉积在样品 冰层在受到电子束曝光后在真空中去除，之后通过测射镀膜转移冰层上曝光图案的方法。当然了，还有可以用电子束的方法代替光束。最后我想提出的是，众所周知的是，人的大脑是已知最精密的芯片，他可以处理的问题远超芯片可以做到的，所以我们可以去研究脑神经之间的关系来构建模型，通过1+1＞2来实现更具智慧的芯片（《三体》中提到过，思想钢印那部分）当然了，还可以更加深入的思考一下须弥芥子的问题，我们又为何不能把较大的东西融到小东西里，并通过某种介质来沟通呢？未来一切皆有可能。最后的最后推荐一下詹姆斯 P 霍根的《星之继承者》，里边那个智能计算机真的蛮神奇的，还有用技术来突破光速限制来达到快速有效的转移飞船的方式。

光刻机（Mask Aligner) ，又名掩模对准曝光机，是芯片制造流程中，光刻工艺的核心设备。芯片的制造流程极其复杂，但可以概括为几大步骤：

硅片的制备-->外延工艺-->热氧化-->扩散掺杂-->离子注入-->薄膜制备-->光刻-->刻蚀-->工艺集成等。

而光刻工艺是制造流程中最关键的一步，光刻确定了芯片的关键尺寸，在整个芯片的制造过程中约占据了整体制造成本的35%。

光刻（photolithography）工艺是将掩膜版（光刻版）上的几何图形转移到晶圆表面的光刻胶上。首先光刻胶处理设备把光刻胶旋涂到晶圆表面，再经过分步重复曝光和显影处理之后，在晶圆上形成需要的图形。



（注：光刻原理示意图，来源：科普中国）

通常以一个制程所需要经过掩膜数量来表示这个制程的难易。根据曝光方式不同，光刻可分为接触式、接近式和投影式；根据光刻面数的不同，有单面对准光刻和双面对准光刻；根据光刻胶类型不同，有薄胶光刻和厚胶光刻。而光刻机本身按照应用可以分为几类，用于制造芯片的光刻机，用于封装的光刻机和应用于LED制造领域的投影光刻机。
光刻机一般根据操作的简便性分为三种，手动、半自动、全自动。
手动：指的是对准的调节方式，是通过手调旋钮改变它的X轴，Y轴和thita角度来完成对准，对准精度可想而知不高了；


半自动：指的是对准可以通过电动轴根据CCD的进行定位调谐；
自动： 指的是 从基板的上载下载，曝光时长和循环都是通过程序控制，自动光刻机主要是满足工厂对于处理量的需要。
一般的光刻流程包括底膜处理、涂胶、前烘、对准曝光、显影、刻蚀，去胶光刻检验等，可以根据实际情况调整流程中的操作。

半导体芯片产业链分为IC设计、IC制造、IC封测三大环节。光刻的主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上，是IC制造的核心环节，也是整个IC制造中最复杂、最关键的工艺步骤。
通过激光或电子束直接写在光掩模板上，然后用激光辐照光掩模板，晶圆上的光敏物质因感光而发生材料性质的改变，通过显影，便完成了芯片从设计版图到硅片的转移。


光刻工艺定义了半导体器件的尺寸，是IC制造中的关键环节。
作为芯片生产流程中最复杂、最关键的步骤，光刻工艺难度最大、耗时最长，芯片在生产过程中一般需要进行20~30次光刻，耗费时间约占整个硅片工艺的40～60%，成本极高，约为整个硅片制造工艺的1/3。
一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。




最简单的多重图案工艺是双重图案，它将特征密度提高了两倍。
最广泛采用的双图案化方案之一是双曝光/双蚀刻（LELE）。
该技术将给定的图案分成两个密度较小的部分。通过在光刻工艺中曝光光刻胶，然后蚀刻硬掩模，将第一层图案转移到下面的硬掩模上。然后将第二层图案与第一层图案对准并通过第二次光刻曝光和刻蚀转移到硬掩模上。最终在衬底上进行刻蚀，得到的图案密度是原始图案的两倍。


自对准双重图案（SADP）技术是通过沉积和刻蚀工艺在心轴侧壁上形成的间隔物，然后通过一个额外的刻蚀步骤移除心轴，使用间隔物来定义所需的最终结构。因此特征密度增加了一倍。SADP技术主要用于FinFET技术中的鳍片形成、线的互连以及存储设备中的位线/字线的形成，其关键的优点在于避免了在LELE期间时可能发生的掩模不对齐。
193nm浸没式光刻的SADP可以实现20nm的半间距分辨率。


在EUV技术出现之前，技术人员利用193nm的光刻机，通过把镜头放在水里、相移掩模、多重曝光的方法，一步步推进芯片技术节点，将摩尔定律一直延续到现在。
将SADP加倍可以得到四重图案化工艺SAQP，使得193nm浸没式光刻可以实现到10nm的分辨率。理论上是可以实现7nm节点工艺制程，但是需要的光罩数量非常多，工艺复杂，量产难度大。


光刻机是光刻工艺的核心设备，也是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备，包含上万个零部件，集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域等多项顶尖技术。
作为整个芯片工业制造中必不可少的精密设备——光刻机，其光刻的工艺水平直接决定芯片的制程和性能水平，因此光刻机更是被誉为半导体工业皇冠上的明珠。


光刻机的工作原理：在IC制作过程中，光束穿过掩模及镜片，经物镜补偿光学误差，将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上，然后显影在硅片上。激光器作为光源，物镜补偿光学误差，是光刻机的核心设备，光刻机物镜系统一般由近20个直径为200～300mm的透镜组成。
光刻机决定了晶体管的尺寸，晶体管的尺寸对于芯片的性能具有重大意义。随着半导体产业的向前发展，不断追求着尺寸更小、速度更快、性能更强的芯片。正是半导体行业对于芯片的不断追求推动了光刻机产品的不断升级与创新。
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ASML成立于1984年，当时正是日本半导体如日中天的时代。日本半导体的成功背后，是尼康和佳能两大光学巨头的光刻设备，以及东京电子、日立、迪恩士等一系列配套厂商的支持。
1994年ASML的市场份额只有18%，但设计超前的8英寸PAS5500以及1995年IPO给ASML带来了机遇。台积电、三星和现代（后来的Hynix）率先决定几乎全部改用ASML的机器，而1995年东芝、西门子和IBM联盟考虑到和佳能的合作，开始没有选择ASML。
最后的结局是：坚持尼康佳能的日系半导体厂商真正开始了长达数十年的衰败，而押宝ASML的三大东亚厂商迅速崛起直到今天称霸。
传统的光刻技术中，镜头与光刻胶之间的介质是空气，而浸没式技术是将空气介质换成液体，利用光通过液体介质后光源波长缩短来提高分辨率。
20世纪90年代干式微影技术发展遇到瓶颈：光刻光源的波长无法从193nm缩短到157nm。林本坚（TSMC研发副总经理）提出将透镜和硅片间的介质换成水，当时两大巨头尼康、佳能选择开发波长更低的光源，独独ASML决定和台积电合作研究“浸没式”解决方案。
随着二者的合作开发，2003年成功推出第一台浸没式光刻机，成为市场上最先进的产品，收获大量客户，市场份额快速提高，宣告着浸没式技术将成为光刻界追逐的焦点。




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光刻机就是个“投影仪”，把我们想要的影子投影到幕布上。
芯片那么精细，是怎么生产出来的呢？用刀刻？用水冲？都不行，因为芯片太精细了，动辄几十nm的线条，日常没有什么材料能做成这么精细的刻刀。所以我们就想了一个办法，用光线来刻，这也就是光刻机。
怎么个用光刻法呢？
我们都用过胶卷相机吧，胶片平日里是黑色的，不能见光的，一旦见光就会变白，我们也找了一种一见光就“易溶解”的特殊胶片。当我们想要在芯片上刻一个圆圈的时候，我们就在芯片上涂上这种特殊胶片，拿一个圆圈光照上去，再经过一些列后续处理，我们在这个芯片上就做出了一个圆圈图形了对吧。
光刻机就是用这种胶片来刻出图形的。剩下的问题是，我们怎么把一种我们想要的特定图形打到胶片上呢？
我们见过老式投影仪吧，原理跟皮影戏是一样的，做一个“剪纸”，拿灯光一照，这个剪纸就映在幕布上了。我们也想办法在光刻机里做了这样的“剪纸”，拿光源一照，这个剪纸就映在胶片上了。
以上就是光刻机的通俗理解。就是这么简单，可是怎么让这一整个过程越来越精密，这就难了。