1 光刻设备：半导体制造的核心装备

1.1 光刻：决定芯片性能最关键工艺

自 1958 年第一块集成电路诞生以来，其工艺技术持续高速发展。随着集成电路工 艺制程的不断升级，晶体管集成度不断提高；观察到这一行业发展态势，英特尔 创始人之一的戈登.摩尔（Gordon Moore）提出：当价格不变时，芯片容纳的晶 体管数大约每 18 个月到 24 个月翻倍，这就是著名的摩尔定律。芯片集成密度与 可靠性的不断提升，推动了从大型机到个人电脑，再到移动终端、物联网、人工 智能的电子工业的革命。

自 1960 年代以来，芯片性能的发展整体遵循摩尔定律。但高速持续发展并非自然 而然的，而是蕴含着集成电路设计、芯片生产、电子材料、半导体设备行业长期 的研发积累与不断改进。改进分为两大类：工艺和结构。工艺的改进以更小的尺 寸来制造器件和电路，并使之具有更高的密度、更多的元器件数量和更高的可靠 性；器件结构设计上的创新使电路的性能更好，实现更佳的能耗控制和更高的可 靠性。无论是缩小尺寸还是构造创新，均需要以光刻机为核心的半导体设备支持； 作为芯片制造的工业母机，光刻机等设备历经了数次重大升级革新。

 

光刻、刻蚀、薄膜沉积，同为集成电路制造的三大工艺；其他的步骤则包括清洗、 热处理、离子注入、化学机械抛光、量测等。 光刻是将设计好的图形从掩模版或倍缩掩模版，转印到晶圆表面的光刻胶上所使 用的技术。光刻技术最先应用于印刷工业,并长期用于制造印刷电路板。半导体产 业在 1950 年代开始采用光刻技术制造晶体管和集成电路。集成电路制造都是利用 刻蚀、沉积、离子注入将描绘在光刻胶上的图形转移到晶圆表面，故晶圆表面的 光刻胶图案是最基础的电路图案。描绘在晶圆上的最基本电路结构由光刻产生,因 此光刻是集成电路生产中最重要的技术。

完整的光刻工艺包括多个细分步骤：1.气相成底膜和增粘：对原始硅片清洗、脱 水，并涂抹增粘剂。2.旋转涂胶：对晶圆表面做光刻胶涂覆，实现指定的厚度和 均匀性，并把边缘和背面多余的光刻胶清洗掉。3.软烘：去除光刻胶中的溶剂。 4.对准和曝光：将掩膜版和晶圆精确对准后进行曝光。5.曝光后烘焙：通过一定 温度激发曝光产生的酸，使部分光刻胶溶于显影液并提高显影的分辨率。6.显影： 喷涂显影液，溶解光刻胶上被光照射过的区域，形成电路图形。7.坚膜烘焙：热 烘进一步去除残留的光刻胶溶剂，并提高光刻胶的粘性。8.显影检查：检测显影 后的电路图案，如果不符合要求需重新进行光刻步骤。 现代集成电路一般由多层结构组成，在芯片的生产中，需多次重复光刻、刻蚀、 沉积等步骤，层层成形并最终形成完整的集成电路结构。

光刻机是光刻步骤的核心设备，也是技术难度和单价最高的半导体设备。荷兰 ASML 公司的光刻机供应链包括全球各地 5000 家供应商，应用到了光学、电磁学、 材料学、流体力学、化学等领域最尖端的研究成果。同时，光刻机集成了精密自 动化机械、高性能仿真软件、高灵敏度传感器、图像识别算法等多个子模块， 光刻技术是集成电路制造的核心。从原始的硅片起到键合垫片的刻蚀和去光刻胶 为止, 即使最简单的 MOS IC 芯片都需要 5 道光刻工艺, 先进的集成电路芯片可 能需要 30 道光刻工艺步骤。集成电路制造非常耗时, 即使一天 24 小时无间断地 工作, 都需要 6 ~ 8 周时间完成芯片，光刻工艺技术就耗费了整个晶圆制造时间的 40% ~50%。

此外在光刻工艺中，涂胶显影设备、量测设备、光刻计算软件系统与光刻机配套 运行。 涂胶显影设备具备增粘处理、光刻胶（也包括抗反射层和抗水涂层）涂布、烘烤、 显影液喷涂、晶圆背面清洗和去边、浸没式光刻工艺中晶圆表面去离子水冲洗（水 渍消除）等功能。涂胶显影设备的工作性能和工艺质量，直接影响到光刻的良率。