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半導(dǎo)體設(shè)備：光刻機(jī)的分類

光刻機(jī)是半導(dǎo)體芯片制造中的核心設(shè)備，其主要功能是在硅片上通過一系列復(fù)雜的光學(xué)、化學(xué)和機(jī)械過程將電路圖案精確地縮小復(fù)制到晶圓表面上。光源在這一過程中至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了能夠雕刻的最小特征尺寸，即制程節(jié)點(diǎn)。

按照光源的不同，現(xiàn)代光刻機(jī)可以分為以下幾類：

紫外（UV）光刻機(jī)：

這是最傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，使用的是汞蒸氣燈作為光源，產(chǎn)生的紫外線波長范圍包括g-line（436nm）和i-line（365nm）。這類光刻機(jī)主要用于早期集成電路的生產(chǎn)，對應(yīng)的是較為粗放的制程節(jié)點(diǎn)，大約在800-250納米之間。

深紫外（Deep Ultraviolet, DUV）光刻機(jī)：

為了實(shí)現(xiàn)更小的特征尺寸，DUV光刻機(jī)采用了準(zhǔn)分子激光器作為光源，如KrF（氟化氪，波長248nm）和ArF/ArFi（氟化氬，波長193nm，以及改進(jìn)版的干式與液浸式ArF光刻技術(shù)，可達(dá)到接近134nm的效果）。DUV光刻機(jī)在過去的數(shù)十年中扮演了關(guān)鍵角色，支撐了從180納米至7納米甚至更高一些節(jié)點(diǎn)的芯片制造工藝。

極紫外（Extreme Ultraviolet, EUV）光刻機(jī)：

為了突破DUV光刻技術(shù)的物理極限，業(yè)界開發(fā)了EUV光刻技術(shù)。EUV光刻機(jī)使用的是波長僅為10-13.5納米范圍內(nèi)的極紫外光源，通常由等離子體源產(chǎn)生。由于EUV的波長遠(yuǎn)小于DUV，它能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的精細(xì)分辨率，在7納米及更小的制程節(jié)點(diǎn)上成為主流選擇。目前最先進(jìn)的半導(dǎo)體芯片幾乎都依賴于EUV光刻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)微縮化的電路結(jié)構(gòu)。

隨著光源、曝光方式不斷改進(jìn)，光刻機(jī)經(jīng)歷了5代產(chǎn)品發(fā)展，每次改進(jìn)和創(chuàng)新都顯著提升了光刻機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的最小工藝節(jié)點(diǎn)。按照使用光源依次從g-line、i-line發(fā)展到KrF、ArF和EUV；按照工作原理依次從接觸接近式光刻機(jī)發(fā)展到浸沒步進(jìn)式投影光刻機(jī)和極紫外式光刻機(jī)。

如今國內(nèi)市占率最高的是第四代光刻機(jī)

那我們簡要介紹一下第四代光刻機(jī)集成了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)以提升其在半導(dǎo)體制造中的性能：

1. 步進(jìn)式掃描投影：

步進(jìn)式掃描投影光刻機(jī)（Step-and-Scan Projector） 1986年，ASML推出的第四代光刻機(jī)產(chǎn)品采用了步進(jìn)式掃描投影技術(shù)，這一突破性設(shè)計(jì)改變了半導(dǎo)體行業(yè)的光刻工藝。步進(jìn)式掃描投影光刻機(jī)結(jié)合了步進(jìn)式（Stepper）和掃描式（Scanner）的特點(diǎn)，使得在曝光過程中，掩模版上的圖案不僅能夠逐個(gè)“步進(jìn)”地投影到硅片的不同區(qū)域，而且在單次曝光時(shí)，掩模和硅片還能同步進(jìn)行高速掃描運(yùn)動(dòng)。通過這種方式，不僅提高了曝光面積的利用效率，還顯著提升了光刻精度和生產(chǎn)效率。

這種光刻機(jī)采用了縮小投影鏡頭，這意味著它能夠在硅片上形成比掩模圖形更小的圖像，曝光比例大于1:1，例如5:1的縮小率，這意味著掩模上的大圖案可以精確地縮放到硅片上極小的特征尺寸，這對于實(shí)現(xiàn)更細(xì)小、更密集的電路布局至關(guān)重要，從而推動(dòng)了集成電路芯片制程節(jié)點(diǎn)的不斷微縮。

2. 雙工作臺(tái)系統(tǒng)：

在傳統(tǒng)的單工作臺(tái)光刻機(jī)中，硅片從裝載、測量、對準(zhǔn)到最終曝光需要按照順序逐個(gè)步驟執(zhí)行，這些過程都在同一工作臺(tái)上完成，導(dǎo)致了設(shè)備的閑置時(shí)間較長，降低了整體生產(chǎn)效率。

2001年，ASML推出的TWINSCAN系列雙工作臺(tái)光刻機(jī)開創(chuàng)性地引入了兩個(gè)獨(dú)立的工作臺(tái)。這種設(shè)計(jì)允許一個(gè)工作臺(tái)在進(jìn)行曝光時(shí)，另一個(gè)工作臺(tái)同時(shí)進(jìn)行上載、對準(zhǔn)等預(yù)處理操作。當(dāng)一個(gè)工作臺(tái)上的硅片完成曝光后，兩個(gè)工作臺(tái)可以迅速互換位置，從而大大減少了光刻機(jī)在等待和準(zhǔn)備階段的時(shí)間，顯著提高了設(shè)備的利用率和整個(gè)晶圓廠的產(chǎn)出效率。

通過這樣的技術(shù)創(chuàng)新，雙工作臺(tái)系統(tǒng)的使用確實(shí)能夠提升光刻機(jī)的生產(chǎn)效率高達(dá)35%左右，為半導(dǎo)體制造業(yè)帶來了革命性的進(jìn)步，尤其對于那些追求高產(chǎn)量和高效能的先進(jìn)制程芯片生產(chǎn)線而言，這一改進(jìn)至關(guān)重要。

3. 浸沒式光刻：

浸沒式光刻系統(tǒng)（Immersion Lithography）是對傳統(tǒng)干式光刻技術(shù)的重大革新。在干式光刻機(jī)中，投影物鏡與硅片之間的介質(zhì)為空氣，其折射率約為1.0，而隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，光源波長對分辨率的限制日益凸顯。為突破衍射極限，科學(xué)家們提出了浸沒式光刻方案。

浸沒式光刻技術(shù)的核心是在投影物鏡最靠近硅片的最后一個(gè)透鏡下方填充一層高折射率液體（如水，其折射率約為1.44），從而顯著提高光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑（NA），進(jìn)而提升光刻分辨率。通過這種方法，可以利用更短的有效波長進(jìn)行曝光，克服了物理上光源波長的限制，使得在不改變光源本身波長的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的微細(xì)圖形刻蝕。

2010年左右，193納米波長的ArF準(zhǔn)分子激光浸沒式光刻技術(shù)取得了重大突破，成功將芯片制造工藝節(jié)點(diǎn)推進(jìn)到了22納米及以下，這對于集成電路行業(yè)來說是一個(gè)里程碑式的成就，因?yàn)樗鼧O大地延長了193nm光源的使用壽命，并且為后續(xù)更先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)的開發(fā)和商業(yè)化生產(chǎn)鋪平了道路。這一技術(shù)對于推動(dòng)摩爾定律繼續(xù)有效運(yùn)作，在芯片集成度不斷提升方面起到了關(guān)鍵作用。