澳门新莆京游戏大厅光刻机的工作原理及关键技术国内与国外的技术差别在哪儿？（附光刻机个股详细介绍）光刻是集成电路最重要的加工工艺，他的作用，如同金工车间中车床的作用。光刻是制造芯片的最关键技术，在整个芯片制造工艺中，几乎每个工艺的实施，都离不开光刻的技术。

　　利用光刻机发出的光通过具有图形的光罩对涂有光刻胶的薄片曝光，光刻胶见光后会发生性质变化，从而使光罩上得图形复印到薄片上，从而使薄片具有电子线路图的作用。这就是光刻的作用，类似照相机照相。照相机拍摄的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是电路图和其他电子元件。

　　简单点来说，光刻机就是放大的单反，光刻机就是将光罩上的设计好集成电路图形通过光线的曝光印到光感材料上，形成图形。

　　镜头是光刻机最核心的部分，采用的不是一般的镜头，可以达到高2米直径1米，甚至更大。光刻机的整个曝光光学系统，由数十块锅底大的镜片串联组成，其光学零件精度控制在几个纳米以内，目前光刻机镜头最强大的是老牌光学仪器公司德国蔡司，ASML用的就是他家的镜头澳门娱乐娱城官网。

　　光源是光刻机核心之一，光刻机的工艺能力首先取决于其光源的波长澳门太阳游戏网站。下表是各类光刻机光源的具体参数：

　　最早光刻机的光源是采用汞灯产生的紫外光源(UV:UltravioletLight)，从g-line一直发展到i-line，波长缩小到365nm，实际对应的分辨率大约在200nm以上。

　　随后，业界采用了准分子激光的深紫外光源(DUV:DeepUltravioletLight)。将波长进一步缩小到ArF的193nm。不过原本接下来打算采用的157nm的F2准分子激光上遇到了一系列技术障碍以后，ArF加浸入技术(ImmersionTechnology)成为了主流。

　　所谓浸入技术，就是让镜头和硅片之间的空间浸泡于液体之中。由于液体的折射率大于1，使得激光的实际波长会大幅度缩小。目前主流采用的纯净水的折射率为1.44，所以ArF加浸入技术实际等效的波长为193nm/1.44=134nm。从而实现更高的分辨率。F2准分子激光之所以没有得以发展的一个重大原因是，157nm波长的光线不能穿透纯净水，无法和浸入技术结合。所以，准分子激光光源只发展到了ArF。

　　这之后，业界开始采用极紫外光源(EUV:ExtremeUltravioletLight)来进一步提供更短波长的光源。目前主要采用的办法是将准分子激光照射在锡等靶材上，激发出13.5nm的光子，作为光刻机光源。目前，各大Foundry厂在7nm以下的最高端工艺上都会采用EUV光刻机，其中三星在7nm节点上就已经采用了。而目前只有荷兰ASML一家能够提供可供量产用的EUV光刻机。

　　光刻机的分辨率(Resolution)表示光刻机能清晰投影最小图像的能力，是光刻机最重要的技术指标之一，决定了光刻机能够被应用于的工艺节点水平澳门太阳游戏网站。但必须注意的是，虽然分辨率和光源波长有着密切关系，但两者并非是完全对应。具体而言二者关系公式是：

　　公式中R代表分辨率；λ代表光源波长；k1是工艺相关参数，一般多在0.25到0.4之间；NA(NumericalAperture)被称作数值孔径，是光学镜头的一个重要指标，一般光刻机设备都会明确标注该指标的数值。

　　所以我们在研究和了解光刻机性能的时候，一定要确认该值。在光源波长不变的情况下，NA的大小直接决定和光刻机的实际分辨率，也等于决定了光刻机能够达到的最高的工艺节点。

　　套刻精度(OverlayAccuracy)的基本含义时指前后两道光刻工序之间彼此图形的对准精度(3σ)，如果对准的偏差过大，就会直接影响产品的良率。对于高阶的光刻机，一般设备供应商就套刻精度会提供两个数值，一种是单机自身的两次套刻误差，另一种是两台设备（不同设备）间的套刻误差。

　　套刻精度其实是光刻机的另一个非常重要的技术指标，不过有时非专业人士在研究学习光刻机性能时会容易忽略。我们在后面的各大供应商产品详细列表里，特意加上了这个指标。

　　工艺节点(nodes)是反映集成电路技术工艺水平最直接的参数。目前主流的节点为0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm等。传统上(在28nm节点以前)澳门娱乐娱城官网，节点的数值一般指MOS管栅极的最小长度(gatelength)，也有用第二层金属层(M2)走线的最小间距(pitch)作为节点指标的。

　　节点的尺寸数值基本上和晶体管的长宽成正比关系，每一个节点基本上是前一个节点的0.7倍。这样以来，由于0.7X0.7=0.49，所以每一代工艺节点上晶体管的面积都比上一代小大约一半，也就是说单位面积上的晶体管数量翻了一番。这也是著名的摩尔定律(MooresLaw)的基础所在。一般而言，大约18~24个月，工艺节点就会发展一代。

　　但是到了28nm之后的工艺澳门娱乐娱城官网，节点的数值变得有些混乱。一些Foundry厂可能是出于商业宣传的考量，故意用一些图形的特征尺寸(FeatureSize)来表示工艺节点，他们往往用最致密周期图形的半间距长度来作为工艺节点的数值。这样一来，虽然工艺节点的发展依然是按照0.7倍的规律前进，但实际上晶体管的面积以及电性能的提升则远远落后于节点数值变化。更为麻烦的是，不同Foundry的工艺节点换算方法不一，这便导致了很多理解上的混乱。根据英特尔的数据，他们20nm工艺的实际性能就已经相当于三星的14nm和台积电的16nm工艺了。

　　上图为英特尔公布的10nm节点详细工艺参数对比。由图可以明显看到，同样10nm工艺节点上，英特尔的晶体管密度大约是三星和台积电的两倍。

　　在65nm工艺及以前，工艺节点的数值几乎和光刻机的最高分辨率是一致的。由于镜头NA的指标没有太大的变化，所以工艺节点的水平主要由光源的波长所决定。ArF193nm的波长可以实现的最高工艺节点就是65nm。

　　而到了65nm以后，由于光源波长难于进一步突破，业界采用了浸入式技术，将等效的光源波长缩小到了134nm。不仅如此，在液体中镜头的NA参数也有了较大的突破。根据ASML产品数据信息，采用浸入技术之后，NA值由0.50–0.93发展到了0.85–1.35，从而进一步提高了分辨率。同时，在相移掩模(Phase-ShiftMask)和OPC(OpticalProximityCorrection)等技术的协同助力之下，在光刻设备的光源不变的条件下，业界将工艺节点一直推进到了28nm。

　　而到了28nm以后，由于单次曝光的图形间距已经无法进一步提升，所以业界开始广泛采用MultiplePatterning的技术来提高图形密度，也就是利用多次曝光和刻蚀的办法来产生更致密图形。

　　值得特别注意的是，MultiplePatterning技术的引入导致了掩模(Mask)和生产工序的增加，直接导致了成本的剧烈上升，同时给良率管理也带来一定的麻烦。同时由于前述的原因，节点的提升并没有带来芯片性能成比例的增加，所以目前只有那些对芯片性能和功耗有着极端要求的产品才会采用这些高阶工艺节点技术。于是，28nm便成为了工艺节点的一个重要的分水岭，它和下一代工艺之间在性价比上有着巨大的差别。大量不需要特别高性能，而对成本敏感的产品(比如IOT领域的芯片)会长期对28nm工艺有着需求。所以28nm节点会成为一个所谓的长节点，在未来比较长的一段时间里都会被广泛应用，其淘汰的时间也会远远慢于工艺节点。

　　根据业界的实际情况，英特尔台积电一直到7nm工艺节点都依然使用浸入式ArF的光刻设备。但是对于下一代的工艺，则必须采用EUV光源的设备了。目前全球只有ASML一家能够提供波长为13.5nm的EUV光刻设备。毫无疑问，未来5nm和3nm的工艺，必然是EUV一家的天下。事实上，三星在7nm节点上便已经采用了EUV光刻设备，而中芯国际最近也订购了一台EUV用于7nm工艺的研发。

　　目前光刻设备按照曝光方式分为Stepper和Scanner两种。Stepper是传统地一次性将整个区域进行曝光；而Scanner是镜头沿Y方向的一个细长空间曝光，硅片和掩模同时沿X方向移动经过曝光区动态完成整个区域的曝光。和Stepper相比，Scanner不仅图像畸变小、一致性高，而且曝光速度也更快。所以目前主流光刻机都是Scanner，只有部分老式设备依旧是Stepper。上表中如果没有特别注明，都是属于Scanner类型。

　　光刻机一直是中国的技术弱项,其技术水平严重制约着中国芯片技术的发展。荷兰ASML公司的光刻机设备处于世界先进水平，日本光刻设备大厂都逐渐被边缘化，国内更是还有很大的差距。那么中国光刻工艺与国外顶尖公司究竟相差多少代技术呢？

　　在这，我们要先了解一下，半导体制造工艺的复杂程度，制造一颗芯片要经过很多的工序，每一个工序都有核心的技术，光刻也是其中之一，光刻机是半导体产业中重要的设备。芯片制造可以用点石成金来形容，从最初的硅晶片到芯片价值可以翻12倍。当原材料加工成晶圆后，将感光材料覆盖在晶圆上，利用光刻机光线的反射将复杂的电路图复制到感光材料上，再用刻蚀机将暴露出来多余的硅片刻蚀掉。经过离子注入复杂的工艺便有了半导体的特性，最后进行测试，分割，封装完成成品芯片。这些流程中，光刻机起到了很重要的作用。

　　为了方便大家更直观地了解光刻，我们再以日常生活中的常见事物为例：LED灯是节能环保的绿色能源，它正是利用光刻机加工出的微纳结构(P、N结)实现发光;电视、手机、电脑之所以能够显示各种图像，是源于光刻机在面板内部加工出每个像素对应的多种微纳结构;计算机更是光刻技术的集中体现，CPU、内存、主板、显卡等都是光刻加工的产物，正是得益于光刻机技术的进步(最小加工尺寸减小)，使得我们的CPU越来越快、内存越来越大;汽车之所以知道空调温度、安全带是否系紧、车门是否关好、当前车速、油量等等信息，正是源于利用光刻技术所加工的各种微型传感器;机器人之所以能够完成各种复杂动作，也是利用光刻机所加工的各种控制芯片、传感器，实现运动控制;利用光刻机加工的纳米微针，能够实现无痛注射，减轻病人痛苦……光刻机的应用在现代生活中不胜枚举。

　　作为制造芯片的核心装备，光刻机一直是中国的技术弱项,其技术水平严重制约着中国芯片技术的发展。荷兰ASML公司的光刻机设备处于世界先进水平，日本光刻设备大厂(如佳能尼康)都逐渐被边缘化，国内更是还有很大的差距，目前光刻机设备82%的市场都被荷兰ASML公司垄断，最先进7nm、5nm工艺的光刻机设备也只有ASML公司制造，我国也有在研发生产光刻机，但技术水平还比较落后，无法满足现代芯片工艺要求。

　　中国的光刻机研制在70年代后期起步，初期型号为接触式或接近式光刻机，85年完成第一台分步光刻机，此后技术一直在推进。

　　1977年，我国最早的光刻机GK-3型半自动光刻机诞生，JKG-3型光刻机是当时国内较先进的制造中大规模集成电路的光刻设备，这是一台接触式光刻机。(吴先升.φ75毫米圆片半自动光刻机[J].半导体设备,1979(04):24-28.)

　　1978年，1445所在GK-3的基础上开发了GK-4，把加工圆片直径从50毫米提高到75毫米，自动化程度有所提高，但同样是接触式光刻机。

　　而美国在20世纪50年代就已经拥有了接触式光刻机，期间相差了二十几年。此时的光刻机巨头ASML还没有出现(1984年，ASML才诞生)，日本的尼康佳能已于60年代末开始进入这个领域。

　　1979年，机电部45所开展了分步光刻机的研制，对标的是美国的4800DSW。1985年，研制出了样机，通过电子部技术鉴定，认为达到4800DSW的水平。如果资料没有错误，这应当是中国第一台分步投影式光刻机，采用的是436纳米G线光源(周得时.为研制我国自己的分步光刻机(DSW)而拼搏[J].电子工业专用设备,1991(03):30-38.)。按照这个时间节点算，中国在分步光刻机上与国外的差距不超过7年(美国是1978年)。

　　1990年3月，中科院光电所研制的IOE1010G直接分步重复投影光刻机样机通过评议，工作分辨率1.25微米，主要技术指标接受美国GCA8000型的水平，相当于国外80年代中期水平。

　　国家在2000年前后启动了193纳米ArF光刻机项目。而ASML已经开始EUV光刻机的研发工作，并于2010年研发出第一台EUV原型机，由三星、台积电英特尔共同入股推动研发。这足足落后ASML 20多年。

　　上海微电成立于2002年3月，邻近国家集成电路产业基地、国家半导体照明产业基地和国家863信息安全成果产业化(东部)基地等多个国家级基地。该公司自主研发的600系列光刻机，已经实现90nm的量产，目前正在研究65nm的工艺。

　　上海微电子的封装光刻机在市场上的占有率就相当的高了，尤其在国内的市场上。其后道封装光刻机已经可以满足各类先进的封装工艺，且具备向客户批量供货的能力，还出口到了国外。上海微电子的芯片后道封装光刻机在国内的市占率有80%，在全球的市占率达40%。另外，该公司研制并用于LED制造的投影光刻机，在市场上的占有率为20%。

　　中子科技集团公司第四十五研究所国电，隶属于中国电子科技集团有限公司，其在CMP设备、湿化学处理设备、光刻设备、电子图形印刷设备、材料加工设备和先进封装设备等领域具有较强的优势。目前，其光刻设备已经实现1500nm的量产。

　　合肥芯硕半导体有限公司成立与2006年4月，是国内首家半导体直写光刻设备制造商。该公司自主研发的ATD4000，已经实现最高200nm的量产。

　　先腾光电成立于2013年4月，已经实现最高200nm的量产，在2014国际半导体设备及材料展览会上，先腾光电亮出了完全自主知识产权的LED光刻机生产技术，震惊四座。

　　无锡影速成立与2015年1月，影速公司是由中科院微电子研究所联合业内资深技术团队、产业基金共同发起成立的专业微电子装备高科技企业。影速公司已成功研制用于半导体领域的激光直写/制版光刻设备、国际首台双台面高速激光直接成像连线设备(LDI)，已经实现最高200nm的量产澳门娱乐网址。

　　目前我国能生产光刻机的企业有上述5家，其中最先进的是上海微电子装备有限公司，光刻机量产的芯片工艺是90纳米。据业界传言，上海微电子也已经在对65nm制程的前道光刻设备进行研制(目前正在进行整机考核)。光刻机技术到了90nm是一个很关键的台阶，设备制造商一旦迈过90nm的台阶，后面就很容易研制出65nm的光刻设备，之后再对65nm的设备进行升级，就可以研制出45nm的光刻机。有业者预估，上海微电子的光刻机设备有望在未来几年内达到45nm的水平。

　　在去年年底，11月29日，由中国科学院光电技术研究所承担的超分辨光刻装备项目在成都通过验收，作为项目重要成果之一，中国科学家研制成功世界上首台分辨力最高的紫外超分辨光刻装备，并形成一条全新的纳米光学光刻工艺路线，具有完全自主知识产权。据介绍，该项目组经过近7年攻关，突破多项关键技术，完成国际上首台分辨力最高的紫外超分辨光刻装备研制，单次曝光最高线纳米的光刻机可以刻出来10纳米的芯片。因为紫外光最小十纳米，所以说十纳米以下都得用多重曝光。——“结合双重曝光技术后，未来还可用于制造10纳米级别的芯片”。

　　超分辨光刻装备项目的顺利实施，打破了国外在高端光刻装备领域的垄断，为纳米光学加工提供了全新的解决途径，也为新一代信息技术、新材料、生物医疗等先进战略技术领域，基础前沿和国防安全提供了核心技术保障。

　　项目副总设计师、中科院光电技术研究所研究员胡松介绍：“第一个首先表现于我们现在的水平和国际上已经可以达到持一致的水平。分辨率的指标实际上也是属于国外禁运的一个指标，我们这项目出来之后对打破禁运有很大的帮助。”

　　“第二个如果国外禁运我们也不用怕，因为我们这个技术再走下去，我们认为可以有保证。在芯片未来发展、下一代光机电集成芯片或者我们说的广义芯片(研制领域)澳门娱乐娱城官网，有可能弯道超车走在更前面。”

　　然而，事实上真的如此吗?连日本设备大厂都逐渐被边缘化的光刻机技术，线 年”磨一剑的中科院光电追赶上了吗?答案：肯定不是真的。

　　国际上首台分辨力最高的紫外超分辨光刻装备的出现，并不意味着中国的芯片制造立刻就能突飞猛进。中科院光电所的这台光刻机还有一定的局限，据介绍，目前这个装备已制备出一系列纳米功能器件，包括大口径薄膜镜、超导纳米线单光子探测器、切伦科夫辐射器件、生化传感芯片、超表面成像器件等，验证了该装备纳米功能器件加工能力，已达到实用化水平。

　　也就是说，目前该装备主要适合生产制造一些光学等领域的器件。其工业之路仍有较长一段路要走。这台“超分辨光刻”装备只可应用在小批量、小视场(几平方毫米)、工艺层少且套刻精度低、低成品率、小基片尺寸(4英寸以下)且产率低(每小时几片)的一些特殊纳米器件加工。但是在看到其线宽分辨率优势的同时，同样需要看到与主流商用的ArF浸没式投影光刻机相比，其在视场、成品率、套刻精度及产率上的不同。所以其工业之路还比较坎坷。

　　$上海新阳(SZ300236)$ $容大感光(SZ300576)$ $南大光电(SZ300346)$光刻是集成电路最重要的加工工艺，他的作用，如同金工车间中车床的作用。光刻是制造芯片的最关键技术，在整个芯片制造工艺中，几乎每个工艺的实施，都离不开光刻的技术。光刻机的工作原理：利用光刻机发出的光通过...