[原创内容]简单 聊聊泥潭喜欢讨论的光刻机

  
  虽然我并不喜欢发帖，这个号六年至今，算上本帖刚好是300贴大喜，但是平时仍然会喜欢逛逛水区作为消遣，近时以来，有明显的体感就是“光刻机”三个字开始频繁出现在列表中，而作为从业人士，在思考之前阻止自己的手指点进贴中是一件非常困难的事情。
  而起因就在于，作为一个工作中过半时间都有光刻机存在的工程师，在看到泥潭水友的很多言论时，恕我直言， 辣眼睛 ，因为其基于的并非光刻的现实，而是受到无良媒体的误导。其实这是很正常的，“光刻”，或者说“黄光”、“Photo”、“Litho”作为半导体八大工艺的其中一个，其实是个并不大的圈子，事实上就算是隔壁部门，对光刻机不了解也是非常正常的，就如同我不了解他们的工艺和设备一样。
  但是泥潭又恰好很喜欢讨论，讨论又恰好需要了解的基础，所以我想了想，与其一直辣眼睛，不如开个贴，和大家聊一聊，水区喜欢讨论的，光刻机。

声明在先：

• 本帖拒绝任何无声明无授权转载，并保留对盈利目的的无授权转载者追责的权利。
• 出于各种免责考虑，我会尽量避免直接提及除ASML之外任何一家商用光刻机设备商，同时也避免提及任何一家代工厂(Foundary),IDM，Fabless设计商，并且我不会提及涉及任何一家芯片制造商制程相关内容；以上不提及的内容，我也拒绝在回复中讨论。如果任何相关人士觉得我有不当涉及，请私信，我会删除。
• 本帖可能受作者视野限制存在谬误，请指出。
• 本帖较长，大家挑喜欢的看，但科普当前，还请不要再在毫无了解的情况下加入讨论。
• 谢谢大家抽空赏读。

  自美国加剧在半导体的对抗以来，随着多家相关厂商受制裁打击、更多相关政令的发布，使得半导体制造业再次被捧上人们视野，而其中，半导体制造的一项核心图形工艺：光刻，更是随之回到风口浪尖，甚至在某些范围的讨论中，光刻的核心设备——价格高昂的光刻机一度顶替了舆论中风头无两的航空发动机，暂时成为了 工业桂冠上的明珠 。
  随着舆论的兴起，相关于光刻机的讨论时有扩大，讨论的扩大化往往伴随着理解的加深，那今天，我们就不妨来加深一下，对大家喜欢讨论的“前道”光刻机的理解。

  
  何为光刻？和大家字面理解的可能存在偏差，光刻并非是“ 用激光在硅上刻电路 ”。
  光刻其实存在两种理解，一种是狭义光刻，也即我们谈的光刻，属于半导体工艺其一，作为一道工艺，一片晶圆在一次进入光刻段到离开，它并不会失去什么东西，反而往往会被盖上一层化学涂料；另一种是广义光刻，更接近于大众的朴素理解，但是实际上却包含了蚀刻、光刻和光刻延伸的OPC(光学临近效应修正)作为半导体工艺核心的图形部门，在其中的蚀刻，才真正地把图形刻到晶圆上。
  或许有的读者知道，或许有的不知道，但我仍然必须提一嘴，现代集成电路的制造，一片晶圆的制造周期是很长的，需要历时数月，期间他将会被一层层盖上各种各样的物质，并由这些物质最终形成一个有着数亿晶体管的芯片，这个过程中，每一次给晶圆覆盖上一层需要限定形状的物质时，都需要一次光刻的参与来在晶圆上做出对应图形。一片晶圆在整个制造周期，将会数十次地进出光刻工艺段，这也是我先前强调：“一次进入光刻段”的原因。
  值得注意的是，现在的光刻工艺，目的是为了设置图形，与大众想象的“ 刻电路 ”也是存在偏差的，因为需要图形的不只是电路，也包括器件本身。实际上，仅有我们通常意义上划分的“后段(BEOL)”周期才是在做电路的互联，当然，这个“后段”只是晶圆制造的“后段”，离其后的测试封装打包 下刀 出售还有很远的距离，所使用的也仍然是“前道”光刻机。

  
  在说光刻机之前，我还是需要简单唠叨一下光刻工艺本身，因为这会对我们接下来讨论光刻机有很大的帮助。
  如同我先前所说的，[quote]“一片晶圆在一次进入光刻段到离开，它并不会失去什么东西，反而往往会被盖上一层化学涂料。”[/quote]出于工艺可行性、技术的实现和工程余量等多方面的考虑，光刻工艺本身，是不会直接在晶圆上带走东西的。
  首先，我们会在晶圆上涂上一层厚达数十纳米到数十微米的有机涂料，也可能是几层。这个有机涂料通常会同时包括酸碱基团，并对我们光刻机使用的光源波长光敏，这也就是我们常说的光刻胶——Photo Resist，也被直译叫做光阻。为了均匀地让涂料覆盖在晶圆上，我们采用旋涂的方式，也就是往中间滴几毫升，然后顶住晶圆高速旋转(通常是三根顶针(，最后拿空气吹掉边缘不规则的地方和漏下背面的涂料。在这步工艺完成后，晶圆表面的涂料非常光滑，在整片晶圆上的起伏不超过数埃(1Å=0.1nm)。此后会有几步没必要细讲的前烘、冷却等步骤，接下来就可以把晶圆送进光刻机了。
  接下来晶圆会被机械臂放到工件台上，一个四倍大的矩形光罩将会被放置在上方，光线通过已经提前做好图像的光罩，从物镜聚焦到晶圆上，通常一片晶圆每层都需要曝光一百到两百次之间，在晶圆上形成整齐排列的矩形，每个矩形被我们称为一个Shot(或Field)。接下来通常是一系列后烘等工艺，催促有机涂料发生光化学反应，接下来用另一种有机溶剂冲走反应掉的部分，于是光罩上不透光(或者刚好相反，透光)的部位被画在晶圆上，这步称为显影。这时候晶圆的样子，我随意找了张网图，肉眼可以看见一个个方块。
如图：[img]https://img.nga.178.com/attachments/mon_202008/18/-7Q5-k2yhKxT1kSb4-ar.jpg[/img]
  显影完了，拿去电子显微镜下量一量线条尺寸有没有问题，拿去Overlay(套刻误差)机台量一量有没有做偏。有问题的，拿去用化学手段吧光刻胶洗了，从头再来；要是没问题，就交给蚀刻了。

  
  报道中的光刻机总是多种多样的，但是大家讨论的感兴趣的，其实一直只有一类，也就是用于芯片制造中先进制程所需的前道光刻机。由于这个市场几乎是由ASML一家垄断，大家也往往喜欢讨论他们，所以我就直接围绕着ASML的光刻机说开。
  大家的讨论中，很明显很多人对于光刻机毫无认知：它有哪些款式，又为什么分这些款式呢？
  其实这并不是个很难接触到答案的问题，[url=https://www.asml.com/en]答案的大门[/url]，点开链接，对没错，就像你买东西要去人家官网看一看考察一下，光刻机也是，答案就放在ASML的官网上。
  [img]https://img.nga.178.com/attachments/mon_202008/18/-7Q5-5o5zK2bT1kSe8-dm.png[/img]
  点开Product[url=https://www.asml.com/en/products]产品页面[/url]，里面的光刻系统里面非常简洁，只有两个东西，EUV系统、DUV系统——极紫外系统、深紫外系统。
  这是最简朴的分类，光源分为深紫外和极紫外，其中极紫外EUV系统，也就是我们经常说的那个最尖端的系列，光源波长13.5nm，几乎进入X光的领域了，因为极短的波长、极高的光子能量使得其极易被吸收，所以这是套非常娇贵的系统，需要真空、需要洁净、还不能用透射式镜组，总之，是ASML的得意之作，也是他的独门绝技。EUV LLC联盟在2003年发出了最后一篇论文，六年间他们用数百篇论文验证了EUV系统的可行性，然而ASML的第一台EUV样机，2015年问世。

  
  前一节是最简单的光刻机分类：EUV——最好的( 没买到的 )；DUV——成熟的( 下单包邮 )。
  但是我这一节还是要继续讲光刻机的分类，DUV的细分。
  点进[url=https://www.asml.com/en/products/duv-lithography-systems]DUV[/url]中，那就有些眼花了，不过没关系，我们顺着ASML自己的分类看。
  [img]https://img.nga.178.com/attachments/mon_202008/18/-7Q5-kaqoZoT3cSyf-ms.png[/img]
  第一类：Immersion Systems。浸没式系统，惊为天人的设计，用精妙的方式，在物镜和晶圆表面之间用去离子水替代原本的空气，获得了更大的入射角，使得NA第一次突破1。水的折射率是1.333，也就是说，此时的光源的极限分辨率，等效于原本其1/1.333波长的光源的分辨率。浸没式光源只用于光源波长为193nm的ArF光源，因此有时候我们可以等效视作它具备一个145nm的光源(来看待他的极限分辨率)。
  浸没式光刻系统有两个系列，NXT:1950i系列和NXT：2000i系列，是ASML自身对产品的系列。页面上的系统中，包括1980Di,1970Ci,1960Bi等，均可由1950i升级得到；而2000i系列，目前最先进的版本是2050i。
  第二类：Dry Systems。是呼应于最先进的DUV系统(浸没式)的分类。当然实际上，我们会对这个大类再做细分，如图你能在页面上看到，XT系列光刻机的序号明显有断层，这是区分了ArF(1460K)、KrF(1060K)和i-Line(400L)三种DUV光源系列的。

  
  或许有人发现了，我对于几类的光刻机，称呼总是离不开它的光源：EUV，DUV(ArFi,ArF,KrF和i-Line)，并且从未像一些坛友一样，称呼为： [i]“Xnm光刻机”[/i] 。
  注意，这是一个非常辣眼睛的称呼，也是我发这个帖的源动力之一。
  我们通常称呼的7nm、10nm或是更加官方的N7,N7E,N6这种称呼，实际上是对工艺制程节点(node)的称呼，这是一个和光刻机不存在直接因果联系的称呼。光刻机确实会限制你所能达到的分辨极限，但获得光刻机并不能让你直接获得哪一个节点的工艺。通常情况下，我们认为6nm及以下节点的晶体管密度需要EUV级别的分辨率才能生产，这主要是来源于我先前提过的BEOL所需的把晶体管互联出来时导线所需要的分辨率；而DUV，目前最先进的2050i甚至是保有量更大的1980i，也是足以应对此前的节点的，而一片晶圆的生产，并不是在单一型号的光刻机上生产完成的。即使是3nm节点，他也仍然可能会使用1460K(打个比方)。
  光刻机是个工具，我可以拿着EUV去做28nm节点，就是有点亏；也可以拿着1980i去做7nm节点，就是有点累。手里的工具和掌握的技术并无关系。
  那么怎么称呼光刻机：
  按光源来。我们的商用光刻机光源均是准分子激光，诸如我之前所称呼的ArFi，其光源是来自于惰性气体氩(Ar)和最活跃的气体氟气(F2)反应，然后迅速还原时电子从氩的外层跃迁至氟气的共价键轨道，这两个轨道的能级差发出的光子为193nm，(i表示immersion)，所以ArFi你有时也可能会听见它被称呼为193i；同理，KrF就是氪(Kr)和氟气(F2)；I-Line其实是氙(Xe)。
  于是我们就可以把光刻机分成EUV，ArFi(193i)，ArF(dry,对应immersion)，KrF，I-Line。这样的称呼，远比毫不知情贻笑大方地喊着 [i]“Xnm光刻机”[/i] 要靠谱得多，看起来也可信得多。

• 称呼错误，别总是喊 [i]“Xnm光刻机”[/i] ，没有这样的称呼，也没法看懂想表述什么
• 光刻机离我们不远，但是确实最顶尖的很难做。那些说着“举国之力一年大成”或是“数十年差距非同等时间不可跨越”的言论，都是不合适的，甚至，恕我直言，别有用心的。

没了，其实有很多想讲一讲，但是说多了就不是简单聊聊了，而且真到了开始写的时候，又不知道该说什么，就这样吧。[s:ac:茶]