小光刻機——高端前道量測設(shè)備

光刻機——人類工業(yè)設(shè)備皇冠上的明珠！

光刻機現(xiàn)在大家都知道是半導(dǎo)體設(shè)備最高端的設(shè)備，有著“人類工業(yè)設(shè)備皇冠上的明珠”的美譽，一臺高端的光刻設(shè)備售價是幾千萬美金，甚至到幾億美金，堪比一架飛機的售價。

有人從字面意義上去理解光刻機，總以為是類似激光設(shè)備，在硅片上“刻”一些復(fù)雜的電路，其實這種理解是錯的，光刻機更準確的叫法應(yīng)該是“曝光機”。

從原理上來講，光刻機并不復(fù)雜，本質(zhì)上就是一個大型單反相機，它的工作是把掩膜板的圖形，經(jīng)過一定比例的微縮后投影到硅片上，完成圖形化的第一步。由于目前晶體管最小尺寸，以及到了史無前例的幾納米水平，因此對光刻機的投影精度要求之高，分辨率之小，堪稱史上最變態(tài)。從技術(shù)難度上而言，光刻機的研發(fā)難度不亞于原子彈，甚至有過之而無不及。

而且光刻機和原子彈最大的區(qū)別是，原子彈有就行了，沒人會在意成本，畢竟原子彈存在的意義就是和對手有對等的核威懾能力，又不會買賣，誰會在意原子彈的成本？

但是光刻機它是工業(yè)設(shè)備啊，一款設(shè)備最核心的問題是你得好用，能幫客戶賺錢的設(shè)備才有它存在的意義?。。?！不能賺錢的設(shè)備，客戶是無法接受的?。?！

盡管國產(chǎn)光刻機在某些參數(shù)上已經(jīng)追上國外同款，但是從幫客戶賺錢的角度而言，還需要不斷的迭代和改進，還有很長的路要走，期待這一天的早日到來。

畢竟設(shè)備又不是只用一次，不僅要效率高，還得有十年如一日的穩(wěn)定性，這就是實驗室樣機到真正工業(yè)設(shè)備的漫漫長路。

在光的世界里，容不得半點誤差，任何瑕疵都將影響最終成像質(zhì)量，導(dǎo)致成批的晶圓直接報廢，損失是巨大的。光刻機鏡片制造商德國蔡司曾經(jīng)做過一個比喻，假如鏡片有德國這么大，那么鏡片的高低誤差只有正負一微米！只有這樣鏡片組，才能誕生人類世界最精細的光！

相信“國產(chǎn)最精細的光”也能在將來實現(xiàn)！

光刻三板斧

有人比喻光刻機的投影系統(tǒng)，相當于把一枚硬幣圖案的投影到月球上還能保持清晰。

為了實現(xiàn)這極其變態(tài)的縮影要求，蔡司光學(xué)設(shè)計大牛們，經(jīng)過反復(fù)的理論計算，最終在DUV光刻機系列上設(shè)計了這種準對稱雙高斯光路結(jié)構(gòu)來保證畸變和像質(zhì)。

蔡司Starlith 19i系列鏡頭模型

在實際工作過程中，DUV光刻機所使用的193nm波長的深紫外光波長已經(jīng)非常短了，如此短波長的光線每次穿過透光性再高的材料時候，依然會有部分能量被吸收，這部分損失的能量并不會消失，而是積累在鏡片上，因此鏡片的會因為長期工作積累熱量而導(dǎo)致變形，最終導(dǎo)致成像精確度出現(xiàn)變化，影響光刻的良率，這當然是不能忍受的，要是知道光刻機要變成印鈔機，就必須保證工作中極強的穩(wěn)定性，以及投影效果的一致性。

早期至今的各個型號的光刻機投影系統(tǒng)

因此為了保證長期工作下積累的熱量不影響投影效果，不僅鏡片使用了特殊的晶體材料——氟化鈣，同時鏡片上會有特殊的涂層吸收多余熱量以達到控制鏡片變形，同時物鏡外部還加上各種冷卻系統(tǒng)及時把熱量排出去。

在光學(xué)鏡頭系統(tǒng)上還需要配備熱效應(yīng)仿真軟件，進行實時校準功能，及時調(diào)整鏡片的位置和形變來進行校準和補償。因此部分鏡片被設(shè)計成可以移動的部件，配合系統(tǒng)量測結(jié)果和算法，實時微調(diào)鏡片之間的距離，來補償其他誤差，保證最終投影的焦點，始終精準落在硅片表面，并形成清晰的圖像。

同時在每次曝光之后，晶圓也要拿去做檢測，確保成影的圖像是符合設(shè)計要求的。

在光學(xué)檢測領(lǐng)域也有一家公司也叫“愛馬仕”——Hermes Microvision，HMI中文名漢民微測，這家“光學(xué)愛馬仕”在2016年的時候被ASML收購了。

有了它，ASML實現(xiàn)光刻“三板斧”，計算光刻，光刻，量測。所以ASML并不是簡單的光刻機制造商，而是圖形化解決方案供應(yīng)商！

ASML收購了Brion(睿初科技)有了計算光刻OPC（光學(xué)臨近修正）能力；光刻，ASML自己有光刻機；量測方面有ASML Yieldstar和HMI的相關(guān)設(shè)備，其中HMI提供電子束方案，Yieldstar提供光學(xué)方案。

OPC光學(xué)矯正

因為有了在線量測技術(shù)，ASML做出了TWINSCAN系統(tǒng)(雙工件臺)，可以做到一邊做量測的準備工作，一邊做曝光，系統(tǒng)效率大幅上升。尼康受制于專利和技術(shù)，一直是單件臺方案，量測曝光同時在一片硅片上進行，結(jié)果在競爭中一落千丈。

可見高端的半導(dǎo)體圖形量測也是芯片制造過程中重要的一環(huán)！

明場與暗場

在芯片制造過程中，有大量的量測工作要做，看關(guān)鍵工藝是否符合指標，包括晶圓缺陷檢測，關(guān)鍵尺寸，套刻精度，膜厚等等，于是各種各樣的量測方案和設(shè)備就出現(xiàn)了。

來自中科飛測資料整理

從實際情況講，現(xiàn)階段的前道工藝中的檢測手段主要包括電子束和光學(xué)兩大技術(shù)路線。

從ASML這樣的光刻圖形化工藝解決方案商到晶圓工廠，各種各樣的量測方案基本都基于這兩種技術(shù)路線。

相比之下，光學(xué)檢測方案具有速度快，無接觸，兼容性好，容易集成等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中多于電子束路線。

基于光學(xué)的路線，又分明場和暗場兩個系統(tǒng)。

明場（BF）和暗場（DF）的區(qū)別在于一個是透射束成像，一個是衍射束成像。二者在照明方法、成像原理等方面存在較大差異，技術(shù)難度上也有一定差別，整體而言明場系統(tǒng)對照明光束物理特征、成像系統(tǒng)、信噪比等方面的要求更加嚴格。一般來說，無圖形晶圓的缺陷檢測多用暗場系統(tǒng)，有圖形晶圓的缺陷檢測使用明場系統(tǒng)或是二者的結(jié)合。

兩者都是芯片檢測手段的一種，根據(jù)實際情況，通常會使用組合方案，盡可能的實現(xiàn)檢測準確性。

整個前道量測設(shè)備的市場規(guī)模并不小，一般在整個半導(dǎo)體設(shè)備中占10%-12%，2022年大約是100-120億美金左右的市場規(guī)模。是在高階制程的fab廠里，高端量測檢測的設(shè)備投資占比可能更大，畢竟28nm以下高階制程的工藝步數(shù)突然增加，達到甚至突破2000個steps！在如此多的工藝步奏下，顯然檢測環(huán)節(jié)變得更加重要，它是幫助晶圓廠控制良率的關(guān)鍵，因此檢測環(huán)節(jié)大增，對應(yīng)的檢測設(shè)備用量也比普通成熟制程的要大。

相比之下，這些年國產(chǎn)設(shè)備在前道工藝設(shè)備上取得了長足的進步，在刻蝕，薄膜沉積，清洗，涂膠顯影，CMP，離子注入，熱處理，電鍍等環(huán)節(jié)均實現(xiàn)國產(chǎn)突破，甚至部分領(lǐng)域已經(jīng)能與國外巨頭有一爭高下的實力。

但是在高端量測領(lǐng)域差距還是很大，KLA，ASML，日立，AMAT等公司依然占據(jù)超過95%以上的市場份額，特別是KLA，一家就占了一大半，不愧是世界級半導(dǎo)體公司，其地位難以撼動，而國產(chǎn)檢測設(shè)備公司，堪堪邁過0到1的階段。

之所以，國產(chǎn)量測設(shè)備到現(xiàn)在才將將突破，主要是量測設(shè)備的技術(shù)含量非常高，有著“小光刻機之稱”，其部分技術(shù)特點和難度，真的能媲美光刻機，而且售價也非常高昂，一臺高端的明場缺陷檢測售價高達數(shù)百萬至上千萬美金，高于刻蝕和沉膜一個檔次，價值可見一斑！

誰能勝出？

差距就是動力，這些年國產(chǎn)檢測設(shè)備也在不斷努力突破，包括精測，睿勵，中科飛測，東方晶源，御微，優(yōu)睿譜，埃芯，中安等，以及通過收購相關(guān)資產(chǎn)進入這個領(lǐng)域的如賽騰，天準等。

這些公司各有所長，有些擅長明暗場系統(tǒng)，有些專注電子束，有些專注缺陷，有些主打膜厚，如百花爭艷一般，在不斷努力提高相關(guān)國產(chǎn)設(shè)備水平和國產(chǎn)化率。

最近精測電子表示，公司的深圳控股子公司精積微收購1.73億元訂單。

根據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，應(yīng)該是明場缺陷檢測設(shè)備，能對標KLA 2910/2915系列，可以用于28nm制程的相關(guān)前道檢測，而缺陷檢測也是前道量測設(shè)備中最關(guān)鍵的，占到55%左右?？梢孕蚁驳目吹絿a(chǎn)設(shè)備在這個了領(lǐng)域終于有了重大突破。

KLA官網(wǎng)資料

結(jié)語

有著“小光刻機之稱”的前道量測設(shè)備，一直是我們的弱項，起步晚，底子薄，國際巨頭在這個領(lǐng)域積累多年，像一座難以逾越的的大山橫在面前，但是隨著國內(nèi)同仁的不斷努力，終于實現(xiàn)了0到1的重大突破。

希望有更多的國產(chǎn)設(shè)備公司能夠在各個領(lǐng)域百花齊放！