什么是步进扫描光刻机？国产光刻机与ASML差距多大？

11月份ASML断供中芯国际的新闻一度成为人们关注的焦点，有消息称ASML断供的这台EUV光刻机单价高达1.2亿美元，如果一切顺利该光刻机将在2020年年中完成安装。无论处于何种原因致使ASML断供中芯国际，但目前在先进制程领域ASML是全球唯一的供应商。

本文就聊聊ASML的光刻机。

什么是步进式扫描光刻机？

在半导体制造过程中，最关键的一道工艺是光刻工艺，其作用是将电路图形信息从掩模板上保真传输、转印到晶圆上。光刻的基本原理是利用光刻胶的感光特性，在光的照射下，光刻胶中的感光成分发生化学变化，从而实现将掩模板上的图形转移到硅片等表面上的目的，光刻的主要步骤是涂胶、光刻和显影。

在晶圆制造中用到的光刻机有两种，一种是步进重复式光刻机，另一种是步进式光刻机，也称步进扫描光刻机，后者更常用。步进扫描光刻机技术的应用始于20世纪90年代，最早也是由ASML开发的，步进扫描光刻机通过配置不同波长的光源，可用于不同的工艺技术节点，光源覆盖了从365nm（i线）、248nm（KrF）、193nm(ArF)、193nm(ArF)浸入式以及13.5nm的EUV光源。

步进式扫描光刻机的工作原理是，单场曝光采用动态扫描方式，即掩模板相对晶圆同步完成扫描运动；完成当前曝光后，晶圆由工作台承载步进至下一步扫描场位置，继续进行重复曝光；重复步进并扫描曝光多次，直至整个晶圆所有场曝光完毕。

步进扫描光刻机的投影物镜倍率通常为4：1，即掩模板图形尺寸为晶圆图形尺寸的四倍，掩模台扫描速度也为工作台的4倍且扫描方向相反，其工作原理示意图如下：

步进式扫描光刻机需要时刻保持掩模台相对工作台的高速、高精度同步运动。为满足高产出率和高成品率的需求，通常要求运动台具备较高的速度和加速度，以及超高相对运动控制精度。比如以ASML的193nm浸入式光刻机为例，其工作台扫描速度高达800mm/s，对应的掩模台速度达到3.2m/s，相对运动控制精度达到纳米量级。因此步进扫描光刻机开发难度大，首要问题是要解决包括整机架构动态稳定性控制技术、同步高精度运动控制技术等核心技术：

当然步进式扫描光刻机如今并非ASML的专利，日本佳能、尼康及中国上海微电子装备均可生产步进式光刻机，只不过性能上来看，ASML依然一枝独秀，在EUV光刻机领域基本上就剩了ASML一家：

什么是浸没式步进扫描光刻机？

对于45nm及以下更高成像分辨率，采用ArF干法曝光方式的光刻机已经无法满足要求了，因此在原来的ArF光刻技术上开发了浸没式光刻技术，也就是将镜头方下表面与晶圆上表面之间充满超纯水，从而提升成像系统的有效数值孔径，其原理如下：

浸没式光刻机本质上沿用了ArF光源也就是193nm的光源，保证了工艺的延续性，在此基础上浸没式步进扫描光刻机可用于22nm及以下工艺节点的应用，甚至能满足7nm的工艺要求。薄薄一层水便解决了大问题。

但是浸没式光刻机仍然受限于物理极限，其最小分辨率为38nm，因此若不借助其他技术，还是很难满足22nm及以下工艺节点的需求的。实际上为了实现更小的工艺线宽要求，通常采用多重图形技术，同时借助高精度在线监测与一体化计算光刻机书，使得ArF浸没式步进扫描光刻机的性能能够支撑到7nm的技术节点。

多重图形技术简单来说就是将一次曝光过程拆分为多次，通过大周期小线宽掩模图形，采用两次光刻工艺实现小周期小线宽图形的制备，也就是在第一次光刻后进行二次涂胶并进行第二次光刻过程，然后通过刻蚀和去胶，最终在晶圆表面硬掩模版上形成需要的图形：

ASML的光刻机产品

ASML最先进的EUV光刻机目前有两个型号：TWINSCAN NXE3400C和TWINSCAN NXE3400B，其中3400C是3400B的后继产品，将全面支持7/5nm技术节点的EUV批量生产，而且较3400B其生产率明显提高。

在KrF、ArF深紫外波段，由于ASML在ArF光刻机中采用了浸没式技术，因此其ArF光刻机有浸没式步进扫描光刻机和干式步进扫描光刻机两种，其中TWINSCAN NXT2000i可用于7nm的逻辑芯片和DRAM上：

ASML的干式光刻机曝光光源在i线、KrF，可用于成熟制程的晶圆光刻，除此以外ASML还有PAS5500系列的光刻机，但该系列的光刻机已经问世很久了，国内上海微电子的步进式扫描光刻机最小分辨率也达到60nm，基本上可以做到国产替代，国产光刻机的性能基本上与ASML TWINSCAN XT860M相当，而XT系列的光刻机最早是2000年问世的，国产光刻机的水平与ASML的差距在10-15年左右：

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