高端光刻机技术——《集成电路与光刻机》|周末读书

中国物理学会期刊网 2021-03-24

The following article is from 科学出版社 Author Science Press

集成电路的发展极大的改变了人们的生活方式，促进了经济繁荣、社会进步。伴随着应用领域的扩大，集成电路已经进入千家万户，深度融入于人们的生活。小到身份证、手机、可穿戴设备，大到高铁、飞机、高端医疗装备，都离不开集成电路。近年来，以5G、物联网、人工智能、云计算、大数据等为代表的新一代信息技术快速发展。集成电路作为信息技术的核心基础，其重要性日益凸显，得到了社会的广泛关注。

集成电路自上世纪50年代诞生至今，一直按照摩尔定律向更高集成度发展。单个芯片上的晶体管数量已经由最初的数十个发展到现在的数十亿个。光刻机是集成电路制造的核心装备，其技术水平决定了集成电路的集成度，关乎摩尔定律的生命力。

王向朝研究员谈光刻机难在哪儿（视频来自中国激光微信公众号“五分钟光学”专栏）

光刻机是迄今为止人类所能制造的最精密的装备。光刻机投影物镜被誉为成像光学的最高境界，其波像差需要控制到亚纳米量级，接近零像差。这个“零像差”是大视场、高数值孔径、短波长条件下的“零像差”，是在曝光过程中投影物镜持续受热情况下的“零像差”。实现这个“零像差”对投影物镜的镜片级检测、加工、镀膜，系统级的检测、装校，以及投影物镜像差的在线检测与控制都提出了极为严苛的要求。为保证产率，光刻机的工件台与掩模台需要非常高的加速度与运动速度。同时，工件台与掩模台在高速运动过程中需要保持几纳米的同步精度。难度远高于坐在一架超音速飞行的飞机上，拿着线头穿进另一架同步飞行飞机上的针孔。如此高的难度使得光刻机的工件台/掩模台系统被誉为超精密机械技术的最高峰。另外，硅片面在光刻机高速扫描曝光过程中需要始终保持在投影物镜~100nm的焦深范围（相当于人类头发丝直径的几百分之一）之内，这对光刻机而言也是极高的技术挑战。

光刻机整机与分系统汇聚了光学、精密机械、控制、材料等领域大量的顶尖技术，很多技术需要做到工程极限。此外，各个分系统、子系统要在整机的控制下协同工作，达到最优的工作状态，才能满足光刻机严苛的技术指标要求。因此，光刻机是大系统、高精尖技术与工程极限高度融合的结晶，被誉为集成电路产业链“皇冠上的明珠”。

最近，集成电路与光刻机成为了社会热点话题。作者在光刻机领域从事科研工作近二十年，对集成电路与光刻机有很深的理解。本着对我国光刻机技术领域尽一份力量的初衷，作者在半年多的时间里（新冠疫情期间）夜以继日的工作，精雕细琢，完成了《集成电路与光刻机》的撰写。本书介绍了集成电路与光刻机的发展历程；重点介绍了光刻机整机、分系统与曝光光源的主要功能、基本结构、工作原理、关键技术等；简要介绍了计算光刻技术；最后介绍了光刻机成像质量的提升与光刻机整机、分系统的技术进步。希望本书能够为社会各界人士了解集成电路与光刻机打开一扇窗，为高端光刻机相关领域的科研与工程技术人员了解光刻机整机与分系统技术提供有益的帮助。

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作者简介

王向朝

中国科学院上海光学精密机械研究所研究员，国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”（02专项）总体专家组专家。获国际与国内授权发明专利160余项，在国际与国内光学与光刻领域主流期刊发表学术论文360余篇。培养博士研究生60余名（含我国高端光刻机整机技术领域第一批博士研究生）。

戴凤钊

中国科学院上海光学精密机械研究所副研究员，中国科学院青年创新促进会会员。2008年本科毕业于西安电子科技大学，2013年获中国科学院大学博士学位。主要研究领域为高端光刻机技术。获授权国内外发明专利10余项，作为第一作者或通讯作者在国际光学领域主流期刊发表学术论文10篇，参与撰写学术专著3部。

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目录
第1章　集成电路发展历程
1.1　从电子管到集成电路
1.1.1　从电子管到晶体管
1.1.2　从晶体管到集成电路
1.2　集成电路的发展与摩尔定律
1.2.1　摩尔定律的提出
1.2.2　集成电路集成度的提升
1.2.3　集成电路成本的变化
1.2.4　集成电路的后摩尔时代
第2章　集成电路制造工艺
2.1　平面工艺
2.2　光刻工艺
第3章　光刻机技术的发展
3.1　接近/接触式光刻机

3.2　投影光刻机的发展
3.2.1　投影光刻机的诞生
3.2.2　投影光刻机曝光方式的演变
3.2.3　步进扫描投影光刻机的发展
3.3　光刻分辨率的提升
第4章　光刻机整机系统
4.1　光刻机整机基本结构
4.2　光刻机主要性能指标
4.2.1　分辨率
4.2.2　套刻精度
4.2.3　产率
4.2.4　性能指标的提升
4.3　光刻机的技术挑战
第5章　光刻机曝光光源
5.1　汞灯光源
5.2　准分子激光光源
5.3　EUV光源
第6章　光刻机关键分系统
6.1　照明系统
6.2　投影物镜系统
6.3　工件台/掩模台系统
6.4　调焦调平系统
6.5　对准系统
第7章　计算光刻
7.1　光学邻近效应修正
7.2　亚分辨辅助图形技术
7.3　光源掩模联合优化
7.4　反演光刻
第8章　光刻机成像质量的提升
8.1　光刻机的成像质量与主要性能指标
8.1.1　成像质量的影响因素
8.1.2　成像质量对光刻机性能指标的影响
8.2　光刻机的技术进步与成像质量提升
8.2.1　光刻机成像质量与像质控制
8.2.2　像质控制与光刻机技术进步
参考文献