步進式光刻機

步進式光刻機（或稱晶圓步進機）（stepper，wafer stepper）是一種用於製造積體電路的設備。它是光刻工藝中不可或缺的一部分，光刻在晶圓表面製造出數以百萬計的微觀電路元件，晶片即由此製成。其工作原理類似於幻燈片投影機或攝影放大機。由此製造的積體電路構成了電腦處理器、半導體存儲器及許多其他電子設備的核心。

步進「Stepper」是 「step-and-repeat camera」（步進並重複相機）的簡稱。

步進機出現在1970年代後期，但直到1980年代才廣泛應用。這是因為它取代了早期的一種技術——掩模對準光刻機（mask aligner）。對準機能在一次操作中同時將整個晶圓表面成像，從而一次生產出許多晶片。相比之下，步進機每次只成像一個晶片，因此運行速度要慢得多。當摩爾定律的持續推進要求使用更小的特徵尺寸時，步進機憑藉更高的解析度最終取代了對準器，並成為首個突破1微米限制的技術。自動對準系統的加入減少了為多個積體電路成像所需的設置時間，到1980年代末，步進機在高端市場幾乎完全取代了對準機。

隨後，步進機又被步進掃描系統（即掃描機，step-and-scan systems或scanners）取代，後者在解析度上又提升了一個數量級。步進掃描系統的工作方式是僅掃描掩模上用於單個IC的一小部分，因此其運行時間比原始步進機要長得多。步進掃描系統在1990年代變得普及，並於2000年代基本成為通用技術。如今，步進掃描系統普及到人們常常簡化稱之為「步進機」。例如，艾司摩爾的PAS 5500就是一種步進掃描系統。

## 歷史

1957：對電子電路小型化的嘗試可以追溯到1957年，當時美國陸軍Harry Diamond Laboratories 的Jay Lathrop與James Nall獲得了一項專利（US2890395A），描述了一種光刻技術，可用於沉積薄膜金屬條，從而在陶瓷板上連接分立電晶體。該技術也被用於在二氧化矽層上刻蝕孔以微加工二極體陣列。後來在1959年，Lathrop入職德州儀器，為傑克·基爾比工作；Nall則加入了快捷半導體。

1958：基於這些工作，快捷半導體的Jay Last和羅伯特·諾伊斯製造了最早的「步進並重複（step-and-repeat）」相機之一，利用光刻在單個晶圓上重複相同的電晶體圖案。

1959：（或不晚於1961年）GCA Corporation的David W. Mann部門成為首家製造商業化步進並重複掩模縮小設備（稱為photo-repeaters）的公司，這些設備是現代光刻步進機的前身。該公司後來被出售給GCA Corporation/Mann及Perkin Elmer。

1970年： Cobilt公司由三位來自德國和英國（來自Kasper Instruments）的工程師以及一位銷售員Peter Wolken創立。該公司製造後來被稱為晶圓步進機或光刻機的設備，當時被稱為。該機器的吞吐量為每次一塊2英寸寬的晶圓。: 2–3

1970：Cobilt公司由三位來自德國和英格蘭（來自 Kasper Instruments）的工程師和一位銷售員Peter Wolken創立。該公司製造的設備以後被稱為晶圓步進機或光刻機，當時通常稱為掩模對準光刻機（mask aligners）。這種機器的產能為一次處理一片2英寸寬的晶圓。

Cobilt在海外有業務並在香港設廠，其在歐洲的代理最初是由荷蘭的Advanced Semiconductor Materials（ASM，創始人 Arthur del Prado）負責，ASM於1960年代中期創立了艾司摩爾。

約在1971年左右，Cobilt被Computervision收購，後者大幅自動化了 Cobilt 的設備。

1973：珀金埃爾默推出了Micralign投影對準器。該設備有助於減少缺陷晶片數量，從而提高良率，並通過降低晶片成本極大推動了積體電路產業的發展。

1975：GCA推出了首款成功的步進機DSW 4800，其可達到約1微米的臨界尺寸，優於當時其他任何系統。

## 步進機在光刻中的作用

積體電路（IC）的製造過程稱為光刻。該過程以一根大型、高純度的圓柱形半導體單晶（人造胚晶）開始。將晶棒切成薄片形成圓盤，並進行初步處理以製成空白的矽晶片（晶圓）。

要在 IC 上創建的電路元件以透明與不透明區域的圖案再現在玻璃或塑料板的表面，這種板稱為光掩模（photomask）或光掩膜（reticle）。晶圓表面覆蓋一層稱為光刻膠的感光材料。將掩模放置在晶圓上方，並通過掩模照射明亮的光（通常為紫外線）。光照使光刻膠的某些部分根據工藝而固化或軟化。

曝光後，晶圓像沖洗攝影膠片那樣顯影，使得根據各區域在曝光時接收的光量，光刻膠在某些區域溶解。這些有光刻膠與無光刻膠的區域再現了光掩膜上的圖案。顯影后的晶圓隨後用溶劑處理。溶劑會蝕刻掉不再受光刻膠保護的晶圓部分的矽。還會使用其他化學品來改變裸露區域矽的電學特性。

然後對晶圓進行清洗、重新塗覆光刻膠，再重複上述工藝層層在矽上構建電路。整個工序完成後，將晶圓鋸開分割成單個晶片，進行測試並封裝出貨。

### 對準器（Aligners）與步進機（Steppers）

在步進機出現之前，晶圓是用掩模對準器一次性曝光整個晶圓的。用於這些系統的掩模上會布滿許多單個IC 的圖案。每次換掩模時，操作員會用顯微鏡將晶圓與下一個將要使用的掩模對準。在1970年代，對準器通常以一比一的投影倍率工作，這限制了晶圓上能獲得的細節多少，也就是取決於掩模本身能製作出的解析度。

隨著特徵尺寸按照摩爾定律不斷縮小，構造這些複雜的多晶片掩模變得非常困難。1975 年，GCA推出了首款步進-重複（step-and-repeat）相機，簡化了掩模的製作。在該系統中，先以較大尺寸製作出單一的母掩模（稱為reticle），以保證機械上的穩固性。通過投影裝置將該母掩模成像並縮小5到10倍，然後將母掩模移動到另一個位置，重複該過程，從而在成像板上產生許多與原始母掩模圖案精確相同的圖像，得到一個包含多個圖案的掩模。

GCA繼續把該硬體發展為直接在晶圓上成像的系統，省去了先由reticle製作掩模的步驟，而直接使用reticle曝光晶圓。由於reticle的尺寸遠大於最終圖像的尺寸，解析度因此得以提高（原先受限於掩模本身的解析度）。為了給整個晶圓

做圖案，掩模會在晶圓表面反覆移動或「步進」（step）。這要求步進機構極為精確，因此對準必須非常準確。對準過程通常已實現自動化，消除了手動操作。由於每次曝光所需時間與對準器一次覆蓋整個掩模所需時間相當，步進機在使用上本質上比對準器更慢，因此在不需要很高解析度的場合，對準器仍然被保留使用。

步進機將可達的解析度從對準器的水平提高了數倍，且是第一批能夠實現小於1微米特徵的系統。然而，摩爾定律的持續推進使得即便投影系統所能給出的最大放大倍率也不足以繼續縮小特徵尺寸。為此在1990年出現了步進掃描系統（step-and-scan），它把步進機與掃描器（scanner）結合起來，只對掩模的一小部分進行成像。這樣的做法允許在掩模的極小部分上獲得更好的聚焦，儘管它也使得IC的生產過程更為緩慢。截至2008年，步進掃描系統已成為高端半導體器件製造中最廣泛使用的系統。

## 主要子組件

典型的步進機由以下子組件組成：晶圓裝載器、晶圓工作檯、晶圓對準系統、光掩膜（reticle）裝載器、光掩膜工作檯、光掩膜對準系統、縮小透鏡和照明系統。每層在晶圓上印刷的工藝程序由以電腦為核心的控制系統執行；該電腦存儲並讀取工藝程序，並與步進機的各個子組件通信以執行程序指令。步進機的各部件通常置於一個密封的腔室內，腔室被保持在精確的溫度，以防止晶圓因溫度變化而膨脹或收縮從而引起印刷圖案的畸變。腔室內還包含支持該工藝的其它系統，例如空氣調節、電源、各類電控板等。

## 基本操作

矽晶圓先被塗覆光刻膠，並放置在可容納多片晶圓的料盒或「舟」（cassette/boat）中。料盒隨後被放入步進機的晶圓裝載器，該裝載器通常位於步進機前部下方。

裝載器內的機器人（或機械手）從料盒中取出一片晶圓並將其放到晶圓工作檯上，隨後進行初步對位，以便後續執行更精細的對準過程。

每個晶片的電路圖案刻在光掩膜（用透明石英做基板並在其上鍍鉻刻蝕圖案）的鉻層中。步進機中常用的光掩膜通常為6英寸見方，可用區域約為104 mm×132 mm。

用於工藝各階段的多個光掩膜按需放在位於步進機前部上方的光掩膜裝載器中的一個架子裡。曝光前，由機器人將所需光掩膜裝到光掩膜工作檯上，並對其進行非常精確的對準。由於同一光掩膜可用於曝光多片晶圓，所以在一系列晶圓曝光開始時只需裝載一次，隨後定期重新對準。

當晶圓與光掩膜都就位並完成對準後，晶圓工作檯由蝸桿或直線摩打在X、Y兩方向（前後與左右）上非常精確地移動，把將要曝光的第一個格點（或稱「一次曝光/一個 shot」）移動到透鏡下、光掩膜正下方的位置。

儘管晶圓放到工作檯後已經進行了對位，但這並不足以保證將要印刷的電路層能精確覆蓋已有的前面層。因此每個曝光幅（shot）都會利用刻在每個最終IC晶片圖案中的特殊對準標記進行精細對準。完成精對準後，步進機的照明系統發出的光通過光掩膜、通過縮小透鏡照射到晶圓表面，完成該曝光。工藝程序或「配方」決定曝光時間、所用光掩膜以及影響曝光的其他參數。

晶圓上的每個曝光幅按網格排列並依次被曝光，晶圓在透鏡下來回「步進」以定位每個曝光幅。待晶圓上所有曝光幅完成後，晶圓由晶圓裝載器的機器人卸下，另一片晶圓被載入工作檯。曝光後的晶圓最終被送往顯影工序，顯影化學品會根據曝光時各區域所接受的光量溶解或保留光刻膠。顯影后的表面隨後會進入光刻的其它工藝步驟。

## 照明與提高解析度的挑戰

能夠在晶圓表面產生越來越細線條的最大限制因素，是曝光系統所使用光的波長。隨著所需線寬不斷縮小，步進機和掃描機開始採用波長日益更短的光源。傳統基於光的光刻之外，還有一種替代技術為納米壓印光刻。

曝光系統（如步進機）分辨細線的能力取決於所用光的波長、透鏡捕獲來自越來越大角度光（即衍射階數）的能力（稱為數值孔徑，Numerical Aperture，NA），以及工藝本身的改進程度。這可用下式表示：

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

其中$\mathrm{CD}$為臨界尺寸（即可分辨的最細線寬），$k_1$是表示工藝相關因素的係數，$\lambda$為光的波長，$\mathrm{NA}$為數值孔徑。減小照明光的波長可以提高步進機的分辨能力。

使用汞光譜線的「g 線」（436 nm）和水銀燈作為光源的步進機可產生約750 nm量級的線寬。隨後引入了水銀燈的紫外線「i 線」（365 nm），可生成低至約 350 nm 的線寬。隨著所需線寬接近並最終小於所用光的波長，人們開發了各種解析度增強技術以實現更小的特徵，例如相位移光掩膜（phase-shifting reticles）以及各種操控曝光光角度的技術，以最大化透鏡的分辨能力。

然而最終所需的線寬變得比水銀燈所能實現的更窄。進入2000年代中期，半導體產業轉向使用產生 248 nm光的氪氟（KrF）準分子雷射器的步進機/掃描機，這類系統可用於製造約110 nm量級的線寬。使用氬氟（ArF）準分子雷射器（發射193 nm光）的生產級步進機已能解析到約32 nm的線寬。雖然產出157 nm光的氟（F₂）雷射器存在，但由於功率低且很快就會降解光刻膠及步進機中使用的其它材料，因此並不實用。

由於實用的更短波長光源尚不可得，製造商嘗試通過減小工藝係數$k_1$來提升光學解析度。這包括進一步改進對光在照明系統與光掩膜中傳輸的控制技術，以及改進曝光前後的晶圓處理技術。同時，廠商也通過製造越來越大、越來越昂貴的透鏡以提高數值孔徑。但這些技術逐漸接近其實際極限，採用傳統設計能實現的最佳線寬約在45 nm左右。

最終將不得不採用其它類型的照明源，例如電子束、X射線或波長遠短於可見光的極紫外（EUV）等電磁能量源。然而為了儘可能延緩採用全新照明技術所帶來的巨大成本與難度，廠商借鑑顯微鏡中的一種方法——用水而非空氣作為透鏡前介質以增大數值孔徑，這就是浸沒光刻。數值孔逕取決於進入透鏡的最大光線角度與光通過介質時的折射率。水在193 nm波長處的折射率約為1.44，而空氣約為1.0003；因此採用水作為介質能大幅提高數值孔徑。當前採用該技術的量產機已能解析到約32 nm的線寬，並可能最終實現約30 nm的線寬。

## 掃描機

現代掃描機（scanners）是通過在曝光過程中讓光掩膜（reticle）工作檯和晶圓工作檯相對反向移動，以增加每次曝光中被照射區域（曝光場）的長度的步進機。曝光不是一次覆蓋整個場，而是通過一個「曝光狹縫」（exposure slit）來完成——該狹縫的寬度與曝光場相同，但長度僅為其一小部分（例如對35×25 mm的場，可使用9×25 mm的狹縫）。曝光狹縫的圖像被掃描穿過整個曝光區域。

這種技術有若干優點。首先，與光掩膜到晶圓的縮小比例更大的傳統步進機（如步進機通常為5×縮小）相比，掃描機可以以較小的縮小比率曝光場（例如4×），同時允許的曝光場尺寸遠大於典型步進機可覆蓋的範圍。其次，投影透鏡的光學特性可以在曝光狹縫圖像經過的區域內進行優化，而對該區域以外的光學像差則可忽略，因為那些像差不會影響晶圓上被曝光的區域。

要實現成功的掃描，曝光過程中移動的光掩膜與晶圓工作檯之間必須實現極其精確的同步。要達到這一點會帶來許多技術挑戰。

## 相關

- 步進等級
- 光刻
- 極紫外光刻
- 半導體
- 積體電路

步進式光刻機製造商：

- 艾司摩爾
- 超科技
- 尼康精密部門
- 佳能
- Ushio公司
- 魯道夫技術公司
- SÜSS MicroTec
- MAPPER有限責任公司。