光刻机基本结构

在集成电路制造过程中，光刻机的作用是将承载集成电路版图信息的掩模图形转移到硅片面的光刻胶内。图形转移是通过对光刻胶进行曝光实现的。如图所示，光束照射掩模后，一部分穿过掩模继续传输，另一部分被阻挡，从而将掩模图形投射到光刻胶上。光刻胶被光照射的部分发生光化学反应，而未被光照射的部分不发生光化学反应，从而将掩模图形转移到光刻胶内。投影光刻机通过成像的方式将掩模图形曝光到光刻胶上，穿过掩模的光被投影物镜会聚到光刻胶上形成掩模图形的像，实现光刻胶的曝光。

下图为投影光刻机基本结构示意图。

为了将掩模图形以成像的方式曝光到光刻胶内，投影光刻机首先需要一个投影物镜系统，将掩模图形成像到硅片面。由于实现成像需要对掩模图形进行照明，投影光刻机还需要光源和照明系统，光源发出的光经过照明系统后形成满足掩模照明要求的照明光束。
将掩模图形投影成像到硅片面，需要使掩模面位于投影物镜的物面，硅片面位于投影物镜的像面，投影光刻机还需要分别承载掩模与硅片并控制其位置的掩模台与工件台。
曝光时硅片面必须处于投影物镜的焦深范围之内，因此光刻机需要调焦调平系统，精确测量并调整硅片面在光轴方向的位置。为了使掩模图形精准曝光到硅片面的对应位置，光刻机需要对准系统，精确测量并调整掩模与硅片的相对位置，在曝光之前实现掩模与硅片的对准，使掩模图形在硅片上的曝光位置偏差在容限范围之内。
投影光刻机还需要掩模传输系统和硅片传输系统，用于自动传输、更换掩模和硅片。

投影物镜

投影物镜的功能是将掩模图形按照一定的缩放比例成像到硅片面。目前用于芯片制造的主流光刻机的投影物镜通常采用4x缩小倍率。光刻机投影物镜主要有全折射式、折反式与全反射式三种，如图所示。全折射式投影物镜的物面光轴与像面光轴一致，便于集成装配，但镜片的色散会导致投影物镜存在较大的色差。为了减小色差，必须严格控制光源线宽。全折射式投影物镜通常用于干式光刻机中。干式光刻机的投影物镜和硅片之间的介质为空气，数值孔径的理论最大值为1.0。

光刻技术的发展要求投影物镜的数值孔径越来越大，采用全折射式结构实现高数值孔径，将明显增大物镜镜片的尺寸，镜片的加工与镀膜难度更高。折反式结构可以有效控制色差，同时保持较小的物镜体积，通常用于数值孔径更大的浸液光刻机中。浸液光刻机在投影物镜和硅片之间填充超纯水，使得数值孔径突破了1.0的限制，最大达到1.35。为了实现浸液曝光，光刻机中增加了液体供给与回收装置，如图所示

。由于EUV波段的光可被几乎所有光学材料强吸收，EUV光刻机投影物镜只能采用全反射式结构。

照明系统

照明系统的主要功能包括：①在掩模面整个视场内实现均匀照明；②产生不同的照明模式，控制照明光的空间相干性；③对到达硅片面上的曝光剂量进行控制［42］。
为了实现均匀照明，照明系统通常采用科勒照明方式。照明系统的部分相干因子表征照明光空间相干性的强弱。与相干照明相比，部分相干照明，特别是离轴照明，能够明显提高成像对比度和分辨率。照明模式和部分相干因子会影响投影物镜的焦深和曝光剂量裕度，对曝光成像具有至关重要的作用。部分相干因子决定了投影物镜光瞳面上的采样区域，投影物镜采样区域内的波像差影响成像质量。通常情况下，采样区域不同，波像差不同，因此不同的部分相干因子会导致空间像具有不同的光强分布。
随着投影物镜数值孔径的不断增大，照明光的偏振态对投影物镜成像质量的影响越来越明显。为确保大数值孔径下的成像质量，光刻机照明系统由传统照明升级为偏振照明。相对于传统照明系统，偏振照明系统增加了偏振控制单元，用于产生所需要的照明偏振态。典型的偏振照明系统包括ASML公司的Aerial XP照明系统和Nikon公司的POLANO照明系统。Aerial XP照明系统采用衍射光学元件产生照明光瞳形状。图是Aerial XP照明系统产生的偏振照明模式示意图，图中箭头表示照明光的偏振方向。

照明系统通常采用能量监测单元与可变透过率单元来控制曝光剂量。能量监测单元用于监测准分子激光器发出的单个脉冲能量，根据监测结果控制激光器后续产生的单脉冲能量，使累积的能量达到预定的曝光剂量。可变透过率单元根据曝光剂量及其均匀性的要求改变光的透过率，调整照明光的强度。

工件台／掩模台系统

投影光刻机以成像的方式将掩模图形转移到硅片面，成像质量直接决定了图形转移的质量。光刻机主要性能指标的实现依赖于成像质量。步进扫描投影光刻机以扫描的方式将掩模图形成像到硅片面。扫描过程中，掩模图形与硅片面当前曝光场要保持严格的物像关系，掩模图形的每一点都需要精准地成像到硅片面上对应的像点处，并且需要掩模台与工件台高精度地同步运动，以确保光刻机的动态成像质量［44］。工件台与掩模台的同步运动误差会导致成像位置偏移，降低动态成像质量。

掩模图形在硅片面的成像质量与硅片面在光轴方向的位置直接相关。为确保成像质量，需要硅片面当前曝光场处于投影物镜的焦深范围之内。硅片面在光轴方向的位置精度依赖于工件台的轴向定位精度。为了将掩模图形高精度地成像到硅片面指定位置处，工件台与掩模台在水平方向上要具有高精度的定位功能，以实现掩模与硅片的高精度对准。

在硅片曝光过程中，工件台需要反复进行步进、加速、扫描、减速等运动。实现高产率要求工件台具有很高的步进速度、很高的加速度与扫描速度。

为了降低芯片制造成本，2000年左右硅片直径从200mm升级到300mm，硅片上的芯片数量增加一倍，使得芯片的制造成本降低了30％［45］。对于光刻机而言，硅片直径增大意味着需要增大工件台尺寸，对于单个硅片，需要曝光更多的场。为保证光刻机的产率（每小时曝光的硅片数量）不降低，工件台需要具有更快的运动速度。同时，集成电路特征尺寸的持续减小，还需要工件台具有更高的定位精度。单工件台同时满足更大尺寸、更快速度以及更高的定位精度等条件是极其困难的［46］。

为解决上述问题，光刻机由单工件台结构升级为双工件台结构，如图1-11所示。双工件台工作时，一个工件台上进行硅片曝光，另一个工件台上对新的硅片进行对准与调焦调平测量。测量与曝光同时进行，使得光刻机可以实现更高的产率。除提高产率外，相对于单工件台光刻机，双工件台光刻机有更多时间进行对准和调焦调平测量，可以在不影响产率的前提下对硅片进行更精确的对准和调焦调平，从而支撑更小特征尺寸的芯片制造。

调焦调平系统

光刻机的作用是将掩模图形曝光到硅片面上的光刻胶内，经过显影后形成光刻胶图形。光刻胶图形的质量与曝光时硅片面在光轴方向的位置密切相关。为满足光刻胶图形质量要求，硅片面在光轴方向的位置必须控制在一定范围之内，光刻机对掩模图形曝光时，必须对硅片面进行高精度的调焦调平。首先通过调焦调平传感器测量出硅片面相对于投影物镜最佳焦面的距离（离焦量）和倾斜量，然后通过工件台的轴向调节机构进行调节，使硅片面的待曝光区域垂直于投影物镜的光轴并位于其焦深范围之内。

ASML 公司调焦调平传感器的测量原理如图

所示。光源发出的光束照射振幅型投影光栅，投影光栅以一定的倾斜角度0投影到硅片面。由于倾斜入射，硅片离焦量的变化使得投影光栅的像在探测光栅上发生移动。探测器用于检测透过探测光栅后的光强。光强随着硅片离焦量的变化而变化，根据光强变化可获得硅片面的离焦量变化。投影光栅与探测光栅的周期与入射角0等决定了测量分辨率。通过使用足够大的入射角和足够小的光栅周期，该技术可探测到1nm的硅片面离焦量变化。

对准系统

在集成电路的制造过程中，光刻机要将多个掩模图形逐层曝光到硅片上，每一层图形都需要精准地曝光到硅片面的对应位置上，以确保套刻精度，因此，曝光之前需要将掩模与硅片进行高精度的对准。首先需要测量出掩模与硅片的相对位置，然后根据测量结果移动工件台与掩模台，实现掩模与硅片的对准。对准包括同轴对准与离轴对准，其中同轴对准系统的测量光路经过光刻机的投影物镜，用于测量掩模的位置；离轴对准系统的测量光路不经过投影物镜，具有独立的光学模块，用于测量硅片的位置。掩模与硅片相对位置关系的建立通过离轴对准结合同轴对准来实现。

曝光光源

光刻机的曝光光源主要有汞灯、准分子激光器与EUV等离子体光源。汞灯因其发射的光谱范围较宽且具有较高的亮度，被用作光刻机的曝光光源。光刻机中最常用的谱线为波长435.83nm的g线、波长404.65nm的h线和波长365.48nm的i线［4］。当曝光波长缩短至深紫外区域时，光刻机开始使用准分子激光器作为曝光光源，包括波长248nm的KrF准分子激光器和波长193nm的ArF准分子激光器。EUV光源主要有放电等离子体光源和激光等离子体光源，目前商用EUV光刻机采用的是激光等离子体光源。

计算光刻

为实现更高的成像质量，光刻机软硬件系统不断发展。然而，光刻机软硬件系统的更新换代是阶段性的，一种新机型诞生后，其软硬件在较长的一段时间内保持不变。这种情况下如何提高光刻成像质量成为推动芯片向更高集成度发展的关键因素。

对于给定的光刻机，相同的掩模图形在不同照明方式下的成像质量可以相差很多。相同的照明方式下不同掩模图形的成像质量通常也存在较大差异。对于给定的光刻机和掩模图形，采用不同的工艺参数获得的光刻成像质量通常也不同。采用数学模型和软件算法对照明方式、掩模图形与工艺参数等进行优化，可有效提高光刻机成像质量，此类技术即计算光刻技术（computational lithography)[50]。计算光刻技术主要包括光学邻近效应修正技术、亚分辨辅助图形技术、光源掩模联合优化技术、反演光刻技术等。

随着芯片关键尺寸的减小，光刻工艺窗口逐渐减小，对关键尺寸均匀性和套刻误差的控制提出了更严格的要求。需要综合利用多种计算光刻技术，并在光刻过程中融入更多的检测、优化与控制，扩大并稳定工艺窗口。这是一体化光刻技术（holistic lithography）的基本思想，是光刻技术的主要发展方向之一。

193nm浸液光刻机结合多种计算光刻技术，已经实现10nm乃至7nm技术节点集成电路的量产。但是随着集成电路特征尺寸的减小，采用193nm浸液光刻机，需要越来越复杂的制造工艺，制造成本也随之大幅增加，而且193nm浸液光刻机很难支撑集成电路向5nm及以下技术节点发展。相比于深紫外（deep ultraviolet，DUV）光刻机，极紫外光刻机的曝光波长大幅减小，直接由193nm减小为13.5nm，能够以相对简单的制造工艺实现更高的光刻分辨率，且可以支撑集成电路向更小技术节点发展。EUV光刻机依然采用步进扫描投影曝光方式，且沿用了双工件台结构。对于13.5nm波长的光，几乎所有材料都具有强吸收性，因此EUV光刻机的投影物镜采用反射式结构，曝光过程在真空环境下进行。图为ASML公司的浸液式、双工件台步进扫描投影光刻机NXT：1980Di与EUV光刻机NXE 3300的系统结构图。