一個公式打天下，ASML總監(jiān)講解光刻機關鍵技術

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2022-03-18 02:27:16 10

在“追光實驗室”上海站啟動儀式上，阿斯麥（ASML）中國區(qū)總裁沈波笑言，隨著近年來半導體的社會關注度上升，ASML已經成功出圈，從一家只有業(yè)內人士了解的隱形*，成為*都能談論幾句的網紅公司，幾乎每天都能看到與ASML相關的報道和話題。ASML中國區(qū)技術總監(jiān)高偉民甚至總結了媒體報道中對ASML的描述，他表示，專業(yè)媒體的形象化描述令人印象深刻，這種方式讓大眾很好理解，專業(yè)度也較為到位。

ASML中國區(qū)總裁沈波

但畢竟光刻機極其復雜精妙，有人類最復雜精密儀器的美名，難以全部用形象化描述來解讀，為了讓專業(yè)觀眾更深入了解光刻機原理，高偉民給與會媒體上了一堂技術課。

光刻機工作流程

半導體制造流程很長，前道制造大體可以分為七個環(huán)節(jié)，即涂膠、光刻、烘烤、刻蝕、離子注入、去膠、沉積，光刻是七大環(huán)節(jié)之一，也是最重要的一個環(huán)節(jié)，直接決定了半導體產線能夠加工的晶體管尺寸大?。垂に嚬?jié)點）和產出率。據西南證券收集的數據，光刻環(huán)節(jié)耗時占晶圓制造全流程的40%至50%，光刻工藝成本占芯片生成成本的30%左右。

圖源：ASML年報

據高偉民介紹，光刻環(huán)節(jié)有三種設備聯(lián)合工作，分別是光刻機、涂膠顯影機和檢測機。自動化產線將待加工的晶圓送到涂膠顯影機上去涂光刻膠，涂完光刻膠的晶圓被送入光刻機進行曝光，曝光完成后的晶圓需要送回涂膠顯影機進行顯影，顯影完成的晶圓通過檢測機檢測合格以后進入下一個環(huán)節(jié)，如果檢測不合格，晶圓將被送回返工。

ASML中國區(qū)技術總監(jiān)高偉民

從功能劃分上，光刻機大致可以分為光源、光通路、掩膜版、投影物鏡和晶圓加工區(qū)等幾部分。在工作時，光刻機把掩膜版做好的圖形通過投影鏡，縮小四倍后照射在晶圓上，涂了光刻膠的晶圓發(fā)生化學變化，再送回涂膠顯影機進行顯影。為提高產能，晶圓運動速度極高，光刻機要在高速動態(tài)下完成光刻動作，控制精度在1到2個納米之內，為保證高精度完成光刻動作，光刻機內置了成千上萬個傳感器，通過大量參數反饋來對光刻動作進行控制。“這是一個非常非常難的機器，難以想象的精密儀器?！备邆ッ裾f道。

圖源：網絡

在《ASML光刻機PK 原子彈，難度？》這篇文章中，就曾形象地描述：現在最先進的EUV光刻機可以做到的“雕刻精度”是7nm，這相當于一根頭發(fā)的萬分之一。在雕刻的過程中晶圓需要被快速移動，每次移動10厘米，可是誤差必須被控制在納米級別。這種誤差級別相當于眨眼之間端著一盤菜從北京天安門沖到上海外灘，恰好踩到預定的腳印上，菜還保持端平不能灑。

一個公式打天下

光刻機決定了半導體工藝尺寸，那么什么決定光刻機的加工精度呢？高偉民介紹，ASML在光刻領域的創(chuàng)新，主要從阿貝公式入手。阿貝公式是光學設備分辨率公式，在ASML每個辦公室的顯著位置，都可以發(fā)現這個公式：CD =K1*λ/NA。該公式顯示，光學系統(tǒng)最小分辨尺寸和三個參數有關，*個是波長（λ），第二個是數值孔徑（NA），第三個是工藝因子或制程因子（K1）。即波長越小，能夠分辨的尺寸就越小，分辨率越高；數字孔徑越大，能夠分辨的尺寸也越小，分辨率也越高；工藝因子越小，可分辨尺寸越小，分辨率越高。

圖源：ASML年報

減小光源波長是光刻機提升加工精度的主要技術方向。市場主流光刻機的光源波長，也從1980年代的436納米（所謂g-Line），縮小到如今13.5納米的極紫外波長。在光刻機領域，ASML并不是一開始就像現在這樣一枝獨秀，在g-Line（436納米波長光源）和i-Line（365納米波長光源）時代，日本廠商優(yōu)勢明顯，進入248納米光源之后，ASML逐漸追上。

據高偉民介紹，2003年左右，ASML等光刻機廠商還開發(fā)過157納米波長的光源，但由于配套材料不過關，157納米光源并未投入商用，這反而因禍得福，ASML在193納米波長的光源上開發(fā)出浸潤式光刻技術，進一步擴大對日本廠商的*優(yōu)勢。

圖源：網絡

加大數值孔徑是增加分辨率的另一個方向。但鏡頭尺寸有物理極限，主流光刻機的鏡頭尺寸已經非常大，再把鏡頭做大從成本和工程實現上來說都不太現實。但如果改變晶圓光路介質，提高折射率，就相當于擴大數值孔徑，這就是浸潤式原理。

浸潤式光刻機將晶圓的光路介質由空氣替換成水，增加了折射率，從而提升了分辨率。

除了波長和數值孔徑，ASML還在光源優(yōu)化方面做了很多研究，以提升光刻機分辨率。計算光刻就是光源優(yōu)化的重要技術，ASML將之歸類為阿貝公式中的K1，即制程因子。針對給定光學圖形，ASML光刻機通過計算光刻機技術得出最佳光照形貌，設置微鏡陣列將最佳光照形貌投射到晶圓上進行光刻，從而提高加工精度。

跨過理論到工程實現的鴻溝

阿貝公式如此簡潔，日本廠商又在光學領域積累深厚，那么ASML是如何在激烈的競爭中殺出重圍的呢？在沈波和高偉民的講解中，大概可以得出答案，即重視研發(fā)、勇于嘗試、負有使命。

以浸潤式光刻工藝為例，原理非常簡單，但在工程實現上挑戰(zhàn)極大。只是將光路介質從空氣換成水，就要考慮幾點：如何保證水流過光刻膠不產生雜質和氣泡，水流和晶圓高速摩擦產生的熱如何散發(fā)，怎樣均勻化水流的熱場......

單是如何將水放置到對應的光刻位置，就是一個極大的技術難題。ASML用氣體將水穩(wěn)定在既定光刻位置，巧妙地解決了這個問題，但在如何讓水在氣體內流動、氣流和水流之間如何平衡、水流如何通過氣流散熱等技術點上，ASML花了大量的時間才得以解決。

此外，浸潤式光刻還需要加大鏡頭尺寸，以滿足水作為光路介質時的應用需求。高偉民表示，和干式光刻的光學系統(tǒng)區(qū)別巨大，浸潤式光刻的技術改變遠比原理實現上看起來要復雜。

雙工件臺是另一個例子。半導體工藝集成度不斷提高，能加工的線寬越來越小，為了保證良率仍能滿足大批量工程生產的要求，光刻機在光刻過程中需要進行的參數測量和狀態(tài)監(jiān)控越來越多，測試參數增多導致測量時間加長，從而造成產能下降。采用雙工件臺并行加工是ASML給出的解決方案，在雙工件臺上，一次進入兩個晶圓，一個晶圓做光刻，另一個晶圓做測試，這樣就既能滿足先進工藝對加工過程中測試測量的要求，也提高了產出率。據高偉民介紹，相比單工件臺，雙工件臺產出率提升了約三分之一。億

雙工件臺在工程實現上也有很多挑戰(zhàn)，增加一個加工區(qū)域之后，整個平臺直徑約有兩三米，這么大的部件高速運動時還要做到納米級精度，對于運動控制和散熱的要求極高，ASML將之前的氣動平臺改為磁懸浮平臺，從而讓“大塊頭”也能靈活運動。

以推動行業(yè)發(fā)展為使命

現如今，半導體制造不斷逼近物理極限，作為半導體制造工藝中最關鍵的環(huán)節(jié)，光刻技術發(fā)展成為整個行業(yè)關注的焦點，在EUV光刻技術上ASML一騎絕塵，長期在無人區(qū)探索。如同高偉民所言，“ASML創(chuàng)新到什么程度，決定了產業(yè)能發(fā)展到什么階段?！?

產業(yè)進步靠科技，科技發(fā)展靠人才，作為行業(yè)領導者，ASML極其重視人才發(fā)展，研發(fā)投入占到銷售額的15%到20%，2020年財報顯示，ASML研發(fā)投入達到22億歐元，全球有超過一萬名工程師。在中國區(qū)的1000多名員工中，工程師比例很高，ASML在中國設有兩個研發(fā)中心，沈波分享道：“過去的20年來，ASML中國在人才培養(yǎng)上取得的成就，歸功于我們獨特的人才培養(yǎng)體系和ASML 營造平等、尊重、包容和多元的環(huán)境。在幫助員工工作和成長的過程中，無論是項目戰(zhàn)略發(fā)展，還是職業(yè)規(guī)劃，員工都可以充分表達個人想法，在這里充分挖掘潛能，推動創(chuàng)新產品服務的迭代升級?！?

為了讓中國*人才參與到光刻技術發(fā)展過程中，也為了更好支持中國本土客戶，ASML將向全國招聘上百個職位，覆蓋*光刻解決方案的各塊業(yè)務，提供如光刻設備方面的客戶服務工程師、現場應用工程師、裝機工程師等，計算光刻算法工程師、現場應用工程師、產品工程師等，以及量測檢驗方面的電子工程師等崗位。

沈波表示，ASML存在的使命，就是去解放產業(yè)發(fā)展?jié)摿Γ瑢⒓夹g極限不斷向前推進。他說：“通過探索前所未有的技術，去解決人類面臨的挑戰(zhàn)，如果我們進步，半導體行業(yè)就無法進步。”

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