光刻機

       光刻機可以分為步進投影光刻機和掃描投影光刻機兩種，主要性能指標有：支持基片的尺寸范圍、分辨率、對準精度、曝光方式、光源波長、光強均勻性、生產效率等。

       半導體芯片（也稱為集成電路，Integrated Circuit, IC）生產主要分為 IC 設計、 IC 制造、 IC 封測三大環(huán)節(jié)。 IC 設計主要根據(jù)芯片的設計目的進行邏輯設計和規(guī)則制定，并根據(jù)設計圖制作掩模以供后續(xù)光刻步驟使用。 IC 制造實現(xiàn)芯片電路圖從掩模上轉移至硅片上，并實現(xiàn)目標芯片功能，包括化學機械研磨、薄膜沉積、光刻、刻蝕、離子注入等步驟。 IC 封測完成對芯片的封裝和性能、功能測試，是產品交付前的最后工序。

       光刻是半導體芯片生產流程中最復雜、最關鍵的工藝步驟，耗時長、成本高。半導體芯片生產的難點和關鍵點在于如何在硅片上制作出目標電路圖樣，這一過程通過光刻來實現(xiàn)，光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。一般芯片在生產中需要進行 20-30 次的光刻，耗時占到 IC 生產環(huán)節(jié)的 50%左右，占芯片生產成本的1/3。

工作原理

       在諸如硅片的基底表面覆蓋一層具有高度光敏感性的光刻膠，再用特定光（一般是紫外光、深紫外光、極紫外光）透過包含目標圖案信息的掩模版照射在基底表面，被光線照射到的光刻膠會發(fā)生反應，因此，在顯影后被照到的區(qū)域會產生與未被照到的區(qū)域不同的效果（具體情況依賴于光刻膠的性質）。

分類

       根據(jù)用途的不同，可以分為用于生產芯片、用于封裝和用于LED制造等。

       根據(jù)光源的不同，可分為紫外光源（UV）、深紫外光源(DUV)、極紫外光源（EUV），光源的波長影響光刻機的工藝。

       極紫外光刻機，選取了新的方案來進一步提供更短波長的光源。目前主要采用的辦法是將準分子激光照射在錫滴液發(fā)生器上，激發(fā)出13.5nm的光子，作為光刻機光源。

       根據(jù)操作方式的不同?？煞譃榻佑|式光刻、直寫式光刻、投影式光刻。

       接觸式光刻（Contact Printing）

       掩膜板直接與光刻膠層接觸。曝光出來的圖形與掩膜板上的圖形分辨率相當，設備簡單。根據(jù)施加力量的方式，接觸式又分為：軟接觸，硬接觸和真空接觸。

       1a.軟接觸就是把基片通過托盤吸附?。愃朴趧蚰z機的基片放置方式），掩膜蓋在基片上面；

       1b.硬接觸是將基片通過一個氣壓（氮氣），往上頂，使之與掩膜板接觸；

       1c.真空接觸是在掩膜板和基片中間抽氣，使它們更加好地貼合

       特點：光刻膠污染掩膜板；掩膜板容易損壞，使用壽命很短（只能使用5～25次）；容易出現(xiàn)累積缺陷。

       接近式光刻（Proximity Printing）

       掩膜板與光刻膠基底層保留一個微小的縫隙（Gap），大約為2.5～25 μm?？梢杂行П苊馀c光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷，使掩膜和光刻膠基底能耐久使用；掩膜壽命長（可提高10倍以上），圖形缺陷少。接近式在現(xiàn)代光刻工藝中應用最為廣泛。

       投影式光刻（Projection Printing）

       類似于膠片攝影，通過按下“快門”，光線通過鏡頭投射到膠卷上并曝光。之后通過“洗照片”，即將膠卷在顯影液中浸泡，得到圖像。投影式光刻因其高效率、無損傷的優(yōu)點，是集成電路主流光刻技術。

       3a.掃描投影光刻（Scanning Project Printing）

       70年代末～80年代初開始研究。這種光刻機中掩膜版與圖案的大小是1:1，即掩膜版上的尺寸與光刻膠上的圖案尺寸相同。之所以稱之為掃描，是因為光是透過一條細長的狹縫射在基底上，一般是一次曝光數(shù)行，基底需要挪動位置，使光能將所有的區(qū)域都曝光。

       特點:工藝節(jié)點為180 nm-130 nm，掩膜板1:1，全尺寸曝光。

       3b.步進重復投影光刻（Stepping-repeating Project Printing或稱作Stepper）

       80年代末～90年代開始研究，使用透鏡系統(tǒng)將掩模上的圖案在小面積上逐個投影到基底上。每次曝光一個小區(qū)域后，基底會移動到下一個位置，直到整個基片都被曝光。一個曝光區(qū)域就是一個“shot”。因為它是通過透鏡系統(tǒng)投影，一般使用365nm紫外光時使用的是5倍版，即掩膜版上圖形尺寸是實際光刻膠上的尺寸的5倍，所以在掩膜板上可以設計更復雜的圖形，但是增加了棱鏡系統(tǒng)的制作難度。

       3c.掃描步進投影光刻（Scanning-Stepping Project Printing或稱作Scanner）

       90年代末至今，在高端的半導體制造中一般會用到此種機型，用于≤0.18 μm工藝。在曝光過程中，掩膜版在一個方向上移動，同時晶圓在與其垂直的方向上同步移動。

       特點：增大了每次曝光的視場；提供硅片表面不平整的補償；提高整個硅片的尺寸均勻性。但是，同時因為需要反向運動，增加了機械系統(tǒng)的精度要求，Scanner通常比其他曝光機具有更高的生產效率，設計和制造都非常復雜，Scanner的購買和維護成本都很高。

       高精度雙面光刻

       主要用于中小規(guī)模集成電路、半導體元器件、光電子器件、聲表面波器件、薄膜電路、電力電子器件的研制和生產。

       雙面光刻機包括運動控制系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)I/O處理控制單元。

       高精度單面光刻

       針對各大專院校、企業(yè)及科研單位，對光刻機使用特性研發(fā)的一種高精度光刻機，中小規(guī)模集成電路、半導體元器件、光電子器件、聲表面波器件的研制和生產。

高精度對準工作臺、雙目分離視場CCD顯微顯示系統(tǒng)、曝光頭、氣動系統(tǒng)、真空管路系統(tǒng)、直聯(lián)式無油真空泵、防震工作臺和附件箱等組成。

       解決非圓形基片、碎片和底面不平的基片造成的版片分離不開所引起的版片無法對準的問題。

光刻膠

       光刻膠是聚合物和一些化合物的混合物，在化合物中最重要的是一種光致酸產生劑（Photo Acid Generator, PAG）。當光子打到PAG上，會產生一種酸，這種酸會與聚合物發(fā)生反應，將聚合物分解，這樣聚合物就會被顯影液(developer)溶解。

       光刻膠通常分為兩種，正膠和負膠。

       正性光刻膠（正膠，positive photoresist）：曝光部分溶于顯影液，而未曝光部分不溶于顯影液，顯影后襯底上剩余的光刻膠圖形與掩膜板上的目標圖形相同。

       負性光刻膠（負膠，negative photoresist）：曝光部分不溶于顯影液，而未曝光部分溶于顯影液，顯影后襯底上剩余的光刻膠圖形與掩膜板上的目標圖形為互補關系。

       因此，對于正膠來說，光刻完成后對沒有光刻膠保護的基底部分進行刻蝕，最后洗去剩余光刻膠，就實現(xiàn)了半導體器件在基底表面的一步構建過程。

光刻機是干什么用的

       光刻機是半導體芯片制造過程中最關鍵的設備之一，其主要作用是將設計好的電路圖案轉移到硅片上，為后續(xù)的蝕刻、摻雜和薄膜沉積等工藝步驟提供模板。具體來說，光刻機的工作原理是通過特定的光源照射在光刻膠上，利用光刻膠的光敏化作用，精確地將光刻膠上的圖案轉移到硅片上。這一過程需要極高的精度和技術要求，因為任何微小的誤差都可能導致整個微電子器件的失效。

       光刻機在微電子制造領域發(fā)揮著至關重要的作用，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

       1、圖案轉移：光刻機能夠高精度地將設計好的電路圖案從掩膜轉移到硅片上，形成微小的電子元件、導線和其他結構。

       2、提高集成度：隨著科技的發(fā)展，人們對芯片集成度的要求越來越高。光刻機憑借其高精度的圖案轉移能力，可以制造出非常小的圖案和結構，從而大大提高芯片的集成度。

       3、提升性能：光刻機能夠制造出非常精細的電路圖案，這些精細的圖案直接影響到芯片的性能。因此，光刻機在提升芯片性能和工作速度方面起著至關重要的作用。

       4、降低成本：通過實現(xiàn)高精度、高效率的制造過程，光刻機能夠降低芯片制造的成本。傳統(tǒng)的制造方法由于精度和效率的限制，往往需要更多的材料和工時來完成芯片的制造。而光刻機的應用則大大減少了這些不必要的浪費。

       此外，光刻機在平板顯示制造、光學元件制造、太陽能光伏制造以及微機電系統(tǒng)制造等領域也有著廣泛的應用。例如，在平板顯示器制造過程中，光刻機被用來制造液晶顯示器的像素結構和電路；在光學元件制造中，光刻機被用于制造鏡片、衍射光柵等微細結構；在太陽能光伏制造中，光刻機用于制造太陽能電池的電路和導線；在微機電系統(tǒng)制造中，光刻機則用于制造微細結構和導電線路。

       綜上所述，光刻機是微電子制造領域不可或缺的關鍵設備之一，其技術水平直接決定了芯片生產的精度和效率。隨著科技的不斷發(fā)展，光刻機技術也將繼續(xù)創(chuàng)新和完善，以滿足各種微細加工的需求。

光刻機是誰發(fā)明的

       光刻機的發(fā)明可以追溯到多個時期和不同的發(fā)明者，因為光刻技術經歷了長期的發(fā)展和演進。以下是對光刻機發(fā)明歷程的詳細梳理：

早期光刻技術的探索

       1822年：法國人Joseph Nicephore Niepce（尼埃普斯）發(fā)現(xiàn)了一種能夠刻在油紙上的印痕，并嘗試將這種技術應用于玻璃片上。經過一段時間的暴曬，透光的部分會變硬，而不透光的部分可以用松香和植物油洗掉。這可以被視為光刻技術的雛形，但此時的技術還遠未達到現(xiàn)代光刻機的水平。

光刻機技術的初步形成

       20世紀初期：光刻機技術開始逐漸成形。例如，1903年美國物理學家愛德華·威廉·哈勃發(fā)明了第一臺用于復制照片和圖紙的光刻機，盡管其精度有限。

       20世紀30年代：荷蘭飛利浦公司開始研發(fā)光刻機，用于生產電子元件，這標志著光刻機技術在工業(yè)應用上的初步探索。

現(xiàn)代光刻機的誕生與發(fā)展

       20世紀50年代：隨著半導體技術的興起，光刻機在半導體制造中的重要性日益凸顯。1955年，貝爾實驗室的科學家實現(xiàn)了在硅片上用光刻加工出電子元器件的方法，這是現(xiàn)代光刻技術的重要里程碑。

       20世紀60年代：美國地球物理學公司（GCA）制造出了第一臺重復曝光光刻機，標志著光刻機技術開始進入實用化階段。隨后，光刻機技術經歷了從接觸式、接近式到投影式的多次演進，精度和效率不斷提高。

       1959年：荷蘭飛利浦公司成功研發(fā)了第一臺商用光刻機，開啟了光刻機在半導體產業(yè)的大規(guī)模應用。

EUV光刻機的突破

       20世紀80年代起：隨著集成電路特征尺寸的不斷縮小，對光刻機的分辨率提出了更高要求?；魻柕ぁぜs瑟夫等科學家?guī)ьI團隊致力于研發(fā)更先進的光刻技術。

       21世紀初：EUV（極紫外）光刻機技術取得突破，成為目前最先進的半導體制造設備之一。EUV光刻機能夠實現(xiàn)更高的分辨率和更小的線寬，對于推動半導體產業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

       綜上所述，光刻機的發(fā)明并非一蹴而就，而是經歷了長期的技術積累和多次的技術革新。從早期的簡單嘗試到現(xiàn)代高精度、高效率的光刻機，凝聚了無數(shù)科學家和工程師的智慧和汗水。在這個過程中，不同國家和地區(qū)的科研機構和企業(yè)都做出了重要貢獻。

       需要注意的是，雖然無法將光刻機的發(fā)明完全歸功于某一個人或某一個機構，但我們可以肯定的是，光刻機的誕生和發(fā)展是人類科技進步的重要成果之一。

生產廠家

       光刻機生產廠家眾多，全球范圍內以荷蘭的ASML、日本的Nikon和Canon等為代表，這些企業(yè)在光刻機領域擁有領先的技術和市場份額。同時，中國也在積極推進光刻機的自主研發(fā)和生產，涌現(xiàn)出一批具有實力的光刻機生產廠家。

全球主要光刻機生產廠家

       1、ASML（荷蘭阿斯麥）

       ASML是目前全球最大的光刻機生產商，總部位于荷蘭費爾德霍芬，并在美國、日本、韓國以及中國等地設有分支機構。

       ASML擁有世界上唯一能夠生產下一代極紫外線技術（EUV）設備的技術，是行業(yè)翹楚。

       2、Nikon（尼康）

       Nikon是日本著名相機制造商，在半導體制造方面也具有顯著實力。

       主要生產IC晶圓板暴露裝置和LCD暴露裝置，在這兩個領域享有較高聲譽。

       3、Canon（佳能）

       Canon是另一家來自日本的跨界巨頭企業(yè)，在半導體設備領域表現(xiàn)出色。

       主要提供半導體晶圓板暴露器、液晶顯示器面板暴露器等產品，技術水平和品質得到廣泛認可。

       此外，還有Ultratech、ASM International、SUSS MicroTec SE、Veeco Instruments Inc.、Rudolph Technologies, Inc.、EV Group (EVG)、SCREEN Semiconductor Solutions Co., Ltd等全球知名的光刻機生產企業(yè)。

中國光刻機生產廠家

       中國也在光刻機領域取得了顯著進展，以下是一些具有代表性的中國光刻機生產廠家：

       1、上海微電子裝備（集團）股份有限公司

       上海微電子是中國光刻機制造的領軍企業(yè)，在光刻機研發(fā)和生產方面取得了顯著進展。

       其自主研發(fā)的光刻機為國內一些芯片制造企業(yè)提供了關鍵支持，推動了中國芯片產業(yè)的國產化進程。

       2、其他相關企業(yè)

       中國還有許多其他企業(yè)在光刻機產業(yè)鏈中占據(jù)重要位置，如為光刻機提供關鍵部件或配套服務的企業(yè)。這些企業(yè)可能不直接生產完整的光刻機，但在光刻機產業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的作用。

       需要注意的是，光刻機是半導體制造中的核心設備之一，其技術難度極高，需要長期的研發(fā)積累和大量的資金投入。因此，光刻機生產廠家的數(shù)量相對較少，且主要集中在少數(shù)幾個技術領先的國家。隨著全球半導體產業(yè)的不斷發(fā)展和技術進步，未來光刻機生產廠家可能會繼續(xù)增加，并涌現(xiàn)出更多具有創(chuàng)新能力的企業(yè)。

產業(yè)鏈

       光刻機產業(yè)鏈是一個復雜且精細的體系，它涉及多個環(huán)節(jié)和眾多關鍵組件。以下是對光刻機產業(yè)鏈的全面梳理：

一、產業(yè)鏈結構

       光刻機產業(yè)鏈主要可以分為上游、中游和下游三個部分：

       上游：主要為材料和設備供應商，提供光刻機制造所需的關鍵材料和零部件。這些材料和設備包括光刻膠、電子特氣、涂膠顯影設備，以及激光器、掩膜板、掩膜臺、遮光器等核心組件。

       中游：光刻機制造環(huán)節(jié)，是產業(yè)鏈的核心。光刻機制造廠商將芯片設計和掩膜制造的結果轉化成實際的芯片制造工具，生產具有特定功能的光刻機設備。

       下游：應用領域，包括芯片制作、芯片封裝、功率器件制造、LED、MEMS制造等。光刻機在這些領域中發(fā)揮著至關重要的作用，是實現(xiàn)微納制造的關鍵設備。

二、關鍵組件與技術

       光刻機是一個高度集成化的系統(tǒng)，其核心部件和技術難度極高。以下是一些關鍵組件和技術的簡要介紹：

       光源系統(tǒng)：通常采用紫外線激光器，發(fā)射出特定波長的紫外光。光源系統(tǒng)的設計和制造直接影響到光刻機的分辨率和精度。

       光學系統(tǒng)：負責將光源發(fā)出的紫外光聚焦并傳播到晶圓表面。它主要由透鏡和反射鏡組成，能夠精確聚焦光束并將其投射到硅片上。

       投影系統(tǒng)（物鏡）：將掩模上的圖形投影到硅片上。它包括一系列的反射鏡和透鏡，能夠精確地調整和聚焦光線。

       掩模：將電路設計圖形化，并將其投影到晶圓表面。掩模的制作過程復雜且精細，需要在微米級別的尺度上實現(xiàn)高精度的圖形化。

       對準系統(tǒng)：確保掩模與硅片之間的精確對準，包括精密的傳感器和機械裝置。

       晶圓臺：負責將晶圓固定在光刻機中，并實現(xiàn)晶圓的升降和旋轉。

       控制系統(tǒng)：控制光刻機的各個部件的運動和協(xié)調，包括光源的開啟和關閉、晶圓臺的移動和旋轉、對準系統(tǒng)的調整等。

三、市場與競爭格局

       市場規(guī)模：近年來，全球光刻機市場規(guī)模持續(xù)增長。據(jù)預測，2024年全球光刻機市場規(guī)模有望達到295.7億美元（另有說法稱315億美元）。在中國，隨著半導體產業(yè)的崛起，光刻機需求激增，市場規(guī)模不斷擴大。

       競爭格局：全球光刻機市場呈現(xiàn)寡頭競爭態(tài)勢，荷蘭ASML、日本Nikon和Canon是主要競爭者。ASML在高端市場，尤其是EUV領域占據(jù)主導地位，市場份額超過80%。國內方面，上海微電子作為領軍企業(yè)，占據(jù)國內市場份額的80%以上，但仍需突破技術瓶頸以實現(xiàn)更高工藝節(jié)點的量產。

四、發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

       技術發(fā)展趨勢：隨著芯片制造工藝的不斷進步和微納米級別的制造需求增加，光刻機技術將朝著更高的精度、更短的波長和更復雜的結構方向發(fā)展。EUV光刻機的出現(xiàn)和不斷升級，使得芯片制程不斷縮小，性能不斷提升。

       挑戰(zhàn)與機遇：光刻機行業(yè)面臨技術門檻高、供應鏈依賴性強、國際競爭激烈等挑戰(zhàn)。然而，隨著國內半導體產業(yè)的快速發(fā)展，光刻機行業(yè)也迎來了前所未有的發(fā)展機遇。市場需求的激增和技術進步為行業(yè)發(fā)展提供了廣闊空間，政策支持也為國產光刻機的崛起提供了有力支撐。

       綜上所述，光刻機產業(yè)鏈是一個高度集成化、技術密集型的產業(yè)體系。隨著半導體產業(yè)的不斷發(fā)展和新興需求的不斷涌現(xiàn)，光刻機產業(yè)鏈將迎來更加廣闊的發(fā)展前景。