步进式光刻机

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步进式光刻机（或称晶圆步进机）（stepper，wafer stepper）是一种用于制造集成电路的设备。它是光刻工艺中不可或缺的一部分，光刻在晶圆表面制造出数以百万计的微观电路元件，芯片即由此制成。其工作原理类似于幻灯片投影机或摄影放大机。由此制造的集成电路构成了计算机处理器、半导体存储器及许多其他电子设备的核心。

步进“Stepper” 是 “step-and-repeat camera”（步进并重复相机）的简称。

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步进机出现在1970年代后期，但直到1980年代才广泛应用。这是因为它取代了早期的一种技术——掩模对准光刻机（mask aligner）。对准机能在一次操作中同时将整个晶圆表面成像，从而一次生产出许多芯片。相比之下，步进机每次只成像一个芯片，因此运行速度要慢得多。当摩尔定律的持续推进要求使用更小的特征尺寸时，步进机凭借更高的分辨率最终取代了对准器，并成为首个突破1微米限制的技术。自动对准系统的加入减少了为多个集成电路成像所需的设置时间，到1980年代末，步进机在高端市场几乎完全取代了对准机。

随后，步进机又被步进扫描系统（即扫描机，step-and-scan systems或scanners）取代，后者在分辨率上又提升了一个数量级。步进扫描系统的工作方式是仅扫描掩模上用于单个IC的一小部分，因此其运行时间比原始步进机要长得多。步进扫描系统在1990年代变得普及，并于2000年代基本成为通用技术。如今，步进扫描系统普及到人们常常简化称之为“步进机”。例如，艾司摩尔的PAS 5500就是一种步进扫描系统。

## 历史

1957：对电子电路小型化的尝试可以追溯到1957年，当时美国陆军Harry Diamond Laboratories 的Jay Lathrop与James Nall获得了一项专利（US2890395A），描述了一种光刻技术，可用于沉积薄膜金属条，从而在陶瓷板上连接分立晶体管。该技术也被用于在二氧化硅层上刻蚀孔以微加工二极管阵列。后来在1959年，Lathrop入职德州仪器，为杰克·基尔比工作；Nall则加入了快捷半导体。

1958：基于这些工作，快捷半导体的Jay Last和罗伯特·诺伊斯制造了最早的“步进并重复（step-and-repeat）”相机之一，利用光刻在单个晶圆上重复相同的晶体管图案。

1959：（或不晚于1961年）GCA Corporation的David W. Mann部门成为首家制造商业化步进并重复掩模缩小设备（称为photo-repeaters）的公司，这些设备是现代光刻步进机的前身。该公司后来被出售给GCA Corporation/Mann及Perkin Elmer。

1970年： Cobilt公司由三位来自德国和英国（来自Kasper Instruments）的工程师以及一位销售员Peter Wolken创立。该公司制造后来被称为晶圆步进机或光刻机的设备，当时被称为。该机器的吞吐量为每次一块2英寸宽的晶圆。: 2–3

1970：Cobilt公司由三位来自德国和英格兰（来自 Kasper Instruments）的工程师和一位销售员Peter Wolken创立。该公司制造的设备以后被称为晶圆步进机或光刻机，当时通常称为掩模对准光刻机（mask aligners）。这种机器的产能为一次处理一片2英寸宽的晶圆。

Cobilt在海外有业务并在香港设厂，其在欧洲的代理最初是由荷兰的Advanced Semiconductor Materials（ASM，创始人 Arthur del Prado）负责，ASM于1960年代中期创立了艾司摩尔。

约在1971年左右，Cobilt被Computervision收购，后者大幅自动化了 Cobilt 的设备。

1973：珀金埃尔默推出了Micralign投影对准器。该设备有助于减少缺陷芯片数量，从而提高良率，并通过降低芯片成本极大推动了集成电路产业的发展。

1975：GCA推出了首款成功的步进机DSW 4800，其可达到约1微米的临界尺寸，优于当时其他任何系统。

## 步进机在光刻中的作用

集成电路（IC）的制造过程称为光刻。该过程以一根大型、高纯度的圆柱形半导体单晶（人造胚晶）开始。将晶棒切成薄片形成圆盘，并进行初步处理以制成空白的硅芯片（晶圆）。

要在 IC 上创建的电路元件以透明与不透明区域的图案再现在玻璃或塑料板的表面，这种板称为光掩模（photomask）或光掩膜（reticle）。晶圆表面覆盖一层称为光刻胶的感光材料。将掩模放置在晶圆上方，并通过掩模照射明亮的光（通常为紫外线）。光照使光刻胶的某些部分根据工艺而固化或软化。

曝光后，晶圆像冲洗摄影胶片那样显影，使得根据各区域在曝光时接收的光量，光刻胶在某些区域溶解。这些有光刻胶与无光刻胶的区域再现了光掩膜上的图案。显影后的晶圆随后用溶剂处理。溶剂会蚀刻掉不再受光刻胶保护的晶圆部分的硅。还会使用其他化学品来改变裸露区域硅的电学特性。

然后对晶圆进行清洗、重新涂覆光刻胶，再重复上述工艺层层在硅上构建电路。整个工序完成后，将晶圆锯开分割成单个芯片，进行测试并封装出货。

### 对准器（Aligners）与步进机（Steppers）

在步进机出现之前，晶圆是用掩模对准器一次性曝光整个晶圆的。用于这些系统的掩模上会布满许多单个IC

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的图案。每次换掩模时，操作员会用显微镜将晶圆与下一个将要使用的掩模对准。在1970年代，对准器通常以一比一的投影倍率工作，这限制了晶圆上能获得的细节多少，也就是取决于掩模本身能制作出的分辨率。

随着特征尺寸按照摩尔定律不断缩小，构造这些复杂的多芯片掩模变得非常困难。1975 年，GCA推出了首款步进-重复（step-and-repeat）相机，简化了掩模的制作。在该系统中，先以较大尺寸制作出单一的母掩模（称为reticle），以保证机械上的稳固性。通过投影装置将该母掩模成像并缩小5到10倍，然后将母掩模移动到另一个位置，重复该过程，从而在成像板上产生许多与原始母掩模图案精确相同的图像，得到一个包含多个图案的掩模。

GCA继续把该硬件发展为直接在晶圆上成像的系统，省去了先由reticle制作掩模的步骤，而直接使用reticle曝光晶圆。由于reticle的尺寸远大于最终图像的尺寸，分辨率因此得以提高（原先受限于掩模本身的分辨率）。为了给整个晶圆

做图案，掩模会在晶圆表面反复移动或“步进”（step）。这要求步进机构极为精确，因此对准必须非常准确。对准过程通常已实现自动化，消除了手动操作。由于每次曝光所需时间与对准器一次覆盖整个掩模所需时间相当，步进机在使用上本质上比对准器更慢，因此在不需要很高分辨率的场合，对准器仍然被保留使用。

步进机将可达的分辨率从对准器的水平提高了数倍，且是第一批能够实现小于1微米特征的系统。然而，摩尔定律的持续推进使得即便投影系统所能给出的最大放大倍率也不足以继续缩小特征尺寸。为此在1990年出现了步进扫描系统（step-and-scan），它把步进机与扫描器（scanner）结合起来，只对掩模的一小部分进行成像。这样的做法允许在掩模的极小部分上获得更好的聚焦，尽管它也使得IC的生产过程更为缓慢。截至2008年，步进扫描系统已成为高端半导体器件制造中最广泛使用的系统。

## 主要子组件

典型的步进机由以下子组件组成：晶圆装载器、晶圆工作台、晶圆对准系统、光掩膜（reticle）装载器、光掩膜工作台、光掩膜对准系统、缩小透镜和照明系统。每层在晶圆上印刷的工艺程序由以计算机为核心的控制系统执行；该计算机存储并读取工艺程序，并与步进机的各个子组件通信以执行程序指令。步进机的各部件通常置于一个密封的腔室内，腔室被保持在精确的温度，以防止晶圆因温度变化而膨胀或收缩从而引起印刷图案的畸变。腔室内还包含支持该工艺的其它系统，例如空气调节、电源、各类电控板等。

## 基本操作

硅晶圆先被涂覆光刻胶，并放置在可容纳多片晶圆的料盒或“舟”（cassette/boat）中。料盒随后被放入步进机的晶圆装载器，该装载器通常位于步进机前部下方。

装载器内的机器人（或机械手）从料盒中取出一片晶圆并将其放到晶圆工作台上，随后进行初步对位，以便后续执行更精细的对准过程。

每个芯片的电路图案刻在光掩膜（用透明石英做基板并在其上镀铬刻蚀图案）的铬层中。步进机中常用的光掩膜通常为6英寸见方，可用区域约为104 mm×132 mm。

用于工艺各阶段的多个光掩膜按需放在位于步进机前部上方的光掩膜装载器中的一个架子里。曝光前，由机器人将所需光掩膜装到光掩膜工作台上，并对其进行非常精确的对准。由于同一光掩膜可用于曝光多片晶圆，所以在一系列晶圆曝光开始时只需装载一次，随后定期重新对准。

当晶圆与光掩膜都就位并完成对准后，晶圆工作台由蜗杆或直线摩打在X、Y两方向（前后与左右）上非常精确地移动，把将要曝光的第一个格点（或称“一次曝光/一个 shot”）移动到透镜下、光掩膜正下方的位置。

尽管晶圆放到工作台后已经进行了对位，但这并不足以保证将要印刷的电路层能精确覆盖已有的前面层。因此每个曝光幅（shot）都会利用刻在每个最终IC芯片图案中的特殊对准标记进行精细对准。完成精对准后，步进机的照明系统发出的光通过光掩膜、通过缩小透镜照射到晶圆表面，完成该曝光。工艺程序或“配方”决定曝光时间、所用光掩膜以及影响曝光的其他参数。

晶圆上的每个曝光幅按网格排列并依次被曝光，晶圆在透镜下来回“步进”以定位每个曝光幅。待晶圆上所有曝光幅完成后，晶圆由晶圆装载器的机器人卸下，另一片晶圆被载入工作台。曝光后的晶圆最终被送往显影工序，显影化学品会根据曝光时各区域所接受的光量溶解或保留光刻胶。显影后的表面随后会进入光刻的其它工艺步骤。

## 照明与提高分辨率的挑战

能够在晶圆表面产生越来越细线条的最大限制因素，是曝光系统所使用光的波长。随着所需线宽不断缩小，步进机和扫描机开始采用波长日益更短的光源。传统基于光的光刻之外，还有一种替代技术为纳米压印光刻。

曝光系统（如步进机）分辨细线的能力取决于所用光的波长、透镜捕获来自越来越大角度光（即衍射阶数）的能力（称为数值孔径，Numerical Aperture，NA），以及工艺本身的改进程度。这可用下式表示：

$$\mathrm{CD}=k_1\frac{\lambda}{\mathrm{NA}}$$

其中$\mathrm{CD}$为临界尺寸（即可分辨的最细线宽），$k_1$是表示工艺相关因素的系数，$\lambda$为光的波长，$\mathrm{NA}$为数值孔径。减小照明光的波长可以提高步进机的分辨能力。

使用汞光谱线的“g 线”（436 nm）和水银灯作为光源的步进机可产生约750 nm量级的线宽。随后引入了水银灯的紫外线“i 线”（365 nm），可生成低至约 350 nm 的线宽。随着所需线宽接近并最终小于所用光的波长，人们开发了各种分辨率增强技术以实现更小的特征，例如相位移光掩膜（phase-shifting reticles）以及各种操控曝光光角度的技术，以最大化透镜的分辨能力。

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然而最终所需的线宽变得比水银灯所能实现的更窄。进入2000年代中期，半导体产业转向使用产生 248 nm光的氪氟（KrF）准分子激光器的步进机/扫描机，这类系统可用于制造约110 nm量级的线宽。使用氩氟（ArF）准分子激光器（发射193 nm光）的生产级步进机已能解析到约32 nm的线宽。虽然产出157 nm光的氟（F₂）激光器存在，但由于功率低且很快就会降解光刻胶及步进机中使用的其它材料，因此并不实用。

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由于实用的更短波长光源尚不可得，制造商尝试通过减小工艺系数$k_1$来提升光学分辨率。这包括进一步改进对光在照明系统与光掩膜中传输的控制技术，以及改进曝光前后的晶圆处理技术。同时，厂商也通过制造越来越大、越来越昂贵的透镜以提高数值孔径。但这些技术逐渐接近其实际极限，采用传统设计能实现的最佳线宽约在45 nm左右。

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最终将不得不采用其它类型的照明源，例如电子束、X射线或波长远短于可见光的极紫外（EUV）等电磁能量源。然而为了尽可能延缓采用全新照明技术所带来的巨大成本与难度，厂商借鉴显微镜中的一种方法——用水而非空气作为透镜前介质以增大数值孔径，这就是浸没光刻。数值孔径取决于进入透镜的最大光线角度与光通过介质时的折射率。水在193 nm波长处的折射率约为1.44，而空气约为1.0003；因此采用水作为介质能大幅提高数值孔径。当前采用该技术的量产机已能解析到约32 nm的线宽，并可能最终实现约30 nm的线宽。

## 扫描机

现代扫描机（scanners）是通过在曝光过程中让光掩膜（reticle）工作台和晶圆工作台相对反向移动，以增加每次曝光中被照射区域（曝光场）的长度的步进机。曝光不是一次覆盖整个场，而是通过一个“曝光狭缝”（exposure slit）来完成——该狭缝的宽度与曝光场相同，但长度仅为其一小部分（例如对35×25 mm的场，可使用9×25 mm的狭缝）。曝光狭缝的图像被扫描穿过整个曝光区域。

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这种技术有若干优点。首先，与光掩膜到晶圆的缩小比例更大的传统步进机（如步进机通常为5×缩小）相比，扫描机可以以较小的缩小比率曝光场（例如4×），同时允许的曝光场尺寸远大于典型步进机可覆盖的范围。其次，投影透镜的光学特性可以在曝光狭缝图像经过的区域内进行优化，而对该区域以外的光学像差则可忽略，因为那些像差不会影响晶圆上被曝光的区域。

要实现成功的扫描，曝光过程中移动的光掩膜与晶圆工作台之间必须实现极其精确的同步。要达到这一点会带来许多技术挑战。

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- 集成电路

步进式光刻机制造商：

- 艾司摩尔
- 超科技
- 尼康精密部门
- 佳能
- Ushio公司
- 鲁道夫技术公司
- SÜSS MicroTec
- MAPPER有限责任公司。