1、光刻机发展历程
集成电路（Integrated Circuit，IC）是现代信息技术的核心与基石，IC的发展始终遵循着Intel创始人之一——戈登·摩尔（Gordon Moore）提出的摩尔定律：价格不变时，约每隔 18-24个月集成度增多一倍，性能亦随之提高一倍。
下图为全世界半导体晶圆代工技术蓝图：
光刻机是IC制造装备中最核心亦是技术难度最大的装备，它已然从接触式、接近式等发展到日前主流的步进扫描式。
日前，光刻机国际市场基本被三大巨擘ASML、Nikon与Canon瓜分，而近年来高端光刻机市场已基本被ASML垄断。
国内从事光刻机关联技术科研的单位重点有上海微电子装备有限机构、清华大学、中国科学院长春光学精细机械与理学科研所、中国科学院光电技术科研所、哈尔滨工业大学、华中科技大学等。与国际先进水平相比，国内光刻机的整体开发及制造水平还存在差距。
光刻机的发展是伴同着工作波长的减少进行的。最早的光源是紫外光源（UV，Ultra-Violet），由汞灯产生波长436nm的g-line激光、405nm的h-line激光与波长365nm的i-line激光。
之后的光源为深紫外光源（DUV，Deep Ultra-Violet），激光为准分子激光（波长248nm的 KrF、波长193nm的ArF）。在深紫外光刻机中加入浸没式技术，可增多数值孔径并加强分辨率。
为了减小集成电路的特征尺寸，进一步发展集成电路技术，科研者提出了极紫外（EUV， Extreme Ultra-Violet）光刻机技术。
1997年，美国的极紫外线有限责任机构（EUVLLC）联盟起始着手EUV光刻技术的产业化科研。该技术采用波长为13.5 nm的极紫外光做为工作激光进行投影光刻。
日前EUV光刻技术为ASML独有，已进入大批量生产，准许在7 nm及少于7nm节点上进行更简单、更具成本效益的生产。
EUV光刻机中波长为13.5 nm的激光极易被空气吸收。为了保准激光的传播与光源的工作功率，EUV光刻机中的光学系统采用反射式结构，并且全部光学系统置于真空环境中。光刻机的整体环境的改变为光刻机的零部件设计带来了新的挑战。
2、光刻机的构成部分
光刻机重点由光源、光路系统及物镜、双工件台、测绘系统、聚焦系统、对准系统等部分构成。其中，晶圆模组部分重点负责揭发前晶片的测 量与参数录入，照明光学模组部分完成晶圆的揭发。
在晶圆模组部分：晶圆传送模组中，由机械手臂负责将晶圆由光阻涂布机传送到晶圆平台模组。而晶圆双平台模组负责在一片晶圆揭发的同期，将待揭发晶圆进行预对准，随后对其表面高低起伏的程度进行测绘，并将关联坐标录入计算机。由此，在不到0.15秒的单位揭发时间内，硅片承载台能够精细快速移动以达到最好的揭发效果。
在照明光学模组部分：紫外光从光源模组生成后，被导入到照明模组，并经过纠正、能量掌控器、光束成型安装等后进入光掩膜台，随后经过物镜赔偿光学误差，最后将线路图揭发在已测绘对准的晶圆上。
3、光刻机关键性能参数
光刻机中重要的性能参数重点有：分辨率、焦深、套刻精度、产率、视场、MTF（调控传递函数）、掩膜版误差因子等。而核心参数为分辨率、焦深和套刻精度。
其中，分辨率与光刻机的最小精度关联联，焦深对光刻机影像范围有影响，套刻精度则决定了工艺层是不是套叠对准。因此呢，这三个技术指标被视为光刻机最重要的三个原因。
现如今，光刻机重点分为EUV光刻系统和DUV光刻系统两大类，其分辨率分别已然达到了13nm和38nm，套刻精度分别达到了1.1nm和1.3nm。
ASML的NXT 3600D光刻机已然实现了160wph的产率，最佳套刻精度乃至达到了1.1nm，分辨率达到13nm。同期，NXT 2100i相较于NXT2050i在套刻精度方面亦有了20％的提高，能够用来生产最先进的3nm芯片。而ASML计划即将发行的NXE 3800E，套刻精度达到了0.9nm，产率亦实现了从160wph到220wph的跨越。
(1)分辨率
分辨率即光刻系统能清晰投影最小图像的能力。
分辨率数值越小，光刻机性能越佳。分辨率由光源波长、数值孔径以及光刻工艺参数决定。
按照瑞利准则，分辨率与数值孔径成反比，与光源波长和工艺参数成正比。其中，数值孔径衡量系统所能收集光的方向范围（计算公式为NA=n*sinα，n为介质折射率，α为孔径角的一半），是物镜光轴上点与物镜前透镜的有效直径所形成的方向，孔径角越大，透镜的光通量越大。
瑞利准则：透镜系统的分辨率极限。因为光拥有衍射特性，一个无限小的点在影像后会变成一个弥散光斑，叫作为“艾里斑”，因此呢实质光学系统影像的分辨率即两个艾里斑恰好能够区掰开的距离。
分辨率改进办法：1)增大数值孔径；2) 缩短揭发波长；3) 缩小光刻工艺参数。
焦深即光刻机能够清晰影像的范围。依据瑞利判据，焦深与波长成正比关系，与数值孔径成反比。其中，ASML机构2023年首台High-NA EUV 光刻机的NA从0.33提高至0.55，焦深随之缩小至40nm，对聚焦准确性的需求亦随之加强。同期，焦深还受到数值孔径、波长、光刻胶厚度、 类型以及晶圆表面平整度等原因影响。
(2)套刻精度
套刻精度指的是光刻工艺中，每一层电路图图形间（即当前层对准标记相针对前一层标记）的叠对精度。IC芯片的制造需要在晶圆表面垒加工艺层，且每层揭发图形必须保准必定精度的套叠对准，以保准芯片的正常功能。随着半导体工艺的发展，图形的关键尺寸持续减小，对套刻精度的需求亦越来越高。通常的，每层揭发图形之间的套刻精度需掌控在硅片尺寸的25％～30％。
揭发过程中的套刻流程：硅片揭发需要先制作对准标记，以便于工艺层之间的图形对准，在进行套刻参数补值后，再揭发当层图案并制作对准暗号，最后进行外观、套刻精度与线宽的测绘。
光刻机套刻精度直接受工件台定位精度的影响，而工件台定位精度又受到工件台位置测绘精度的制约，定位误差在误差分配中一般占总套刻误差的非常之一，即针对“14nm”节点，定位精度应优于0.57nm。位置测绘的精度直接决定了多次光刻间的相互重合误差，因此呢超精细位移测绘系统是光刻机不可或缺的关键子系统之一。
(四)光刻机工件台的结构原理
下图为ASML步进扫描式光刻机（TWINSCAN系列）的结构示意图，它重点由光学投影物镜系统、工件台系统和对准系统等构成。其中，工件台系统包含掩模台和硅片台，是完成硅片揭发的关键子系统之一。
掩模台和硅片台分别部署在基座的上下两层。
如下图所示，掩模台上承载掩模板，硅片台上承载待揭发的硅片。光源发出的光束经整形、匀光等处理后透射到掩模板上。在扫描揭发过程中，掩模台与硅片台在扫描方向上作精确地同步运动，从而将掩模板上的图像以4:1的比例投影到硅片的揭发视场内。之后，硅片台作步进运动将下一视场运动到揭发区，如此循环地完成硅片上所有视场的揭发。
工件台的轨迹跟踪性能是保准光刻机产率和分辨率的关键。
为了在大行程范围内实现高加速、高速及高精度的运动，光刻机工件台广泛采用粗精叠层结构。
其中，粗动台完成大行程、微米级精度运动；小行程的微（精）动台叠加在粗动台上，用于赔偿粗动台的运动误差，最后实现纳米级运动精度。
下图是ASML TWINSCAN XT系列光刻机硅片台的结构示意图，由三个直线电公司成H型粗动台，实现x-y平面大行程粗动；微动台由若干音圈电机驱动，采用激光干涉仪作位移反馈，实现六自由度微动。
下图是ASML TWINSCAN NXT系列光刻机硅片台的结构示意图，粗动台由磁悬浮平面电机驱动，省去了从直线运动到平面运动的中间转换安装，拥有动态特性好、结构简单等优点；微动台依然由若干音圈电机驱动，但采用平面光栅作位移反馈。与激光干涉仪相比，平面光栅受气压、温度、湿度等环境原因的影响较小，且结构更为紧凑。因此呢，相比于XT系列，NXT系列光刻机可实现更高的产率和分辨率。
(五)双工件台的运行原理
传统的光刻机工件台系统仅包括一个掩模台和一个硅片台，硅片的上片、形貌测绘、扫描揭发、下片等工序依次完成。为了加强光刻机的产率，ASML于2000年首次提出了双硅片台技术，并将其成功应用于TWINSCAN系列光刻机中。双硅片台技术将硅片的以上工序分离成两个并行处理的部分，一个硅片台在测绘位进行硅片的上下片、形貌测绘等准备工作，同期另一硅片台在揭发位进行硅片的扫描揭发，待完成后两硅片台交换位置与职能，如此循环地实现硅片的有效揭发。
光刻机晶圆台是磁悬浮运动的，其运动由三个平面运动自由度XYZ和三个旋转载由度构成，因此呢测绘系统需对其完成六自由度的位移测绘。日前，双频激光干涉仪和二维光栅尺是当前最为常用的两种测绘六自由度位移的高精度测绘办法。
下图是国内自主开发的超精细硅片台采用粗精叠层结构。粗动台以三路激光尺作位移反馈，微动台以分辨率为0.6 nm的九轴双频激光干涉仪作位移反馈，并经过电涡流传感器测绘微动台与粗动台之间的相对位移。硅片台采用独立掌控模式，即微动台、粗动台相互独立地跟踪相同的参考轨迹。
下图为清华大学IC装备科研室最新自主开发的光刻机双硅片台，气浮粗动台由平面电机驱动，磁浮微动台由若干音圈电机驱动并经过9轴双频激光干涉仪作位移反馈，在国内处在领先水平。
(六)双工件台的技术难点
(1)对准精度高。
芯片制造中图形的揭发需多层叠加，掩膜揭发的图形必须和前一层掩膜揭发准确套叠在一块，叠加的误差即为套刻精度，需求为2nm以下。硅片上对准标记的数目越多，对准精度越低。
(2)运动速度快。
当前ASML最先进的DUV光刻机产率高达300wph，0.1秒完成1个影像单元的揭发影像，这需求晶圆平台以高达7g的加速度高速移动。
(3)运作稳定。
双工件台频繁的位置互换，对加减速防震、精确定位及减少磨损等需求极 高，同期需保持长期的高速运作。
随着工件台的尺寸及推重比持续增大，其动力学特性愈来愈繁杂：模型阶次更高、高频段的不确定性更大，从而引起建模误差很强。工件台需要在高加速、高速的状况下实现纳米级轨迹跟踪精度及毫秒级创立时间。虽然关联技术很难，随着我国技术的持续进步，高端光刻机关联技术亦将逐步被解决！
关于光刻机结构及工件台的内容就介绍到这儿，欢迎各位朋友点赞！
参考文献：
(1)李敏 光刻机超精细工件台数据驱动运动掌控科研[D].
(1)张银 光刻机狭缝系统柔性直线导向公司设计及刚度特性科研[D].
(3)华福证券 光刻机行业深度报告：博采众星之光，点亮皇冠明珠[C].
(4)民生证券 掩膜版行业深度报告：光刻蓝本亟待突破，国产替代大有可为[C].
(5)尚红波 浸没光刻投影物镜光学设计与像差赔偿科研[D].
(6)芮大为 光刻照明系统光学设计与赔偿策略科研[D].
(7)许伟才 投影光刻物镜的光学设计与像质赔偿[D].
(8)周泽龙 投影光刻物镜偏振像差科研[D].
(9)赵磊 投影光刻物镜像质赔偿策略与赔偿技术科研[D].
(10)徐象如 高数值孔径投影光刻物镜像质赔偿策略与偏振像差科研[D].
(11)李晶 高NA投影光刻物镜波像差检测技术科研[D].
