2018年我国半导体光刻机行业原理、内部结构及优势分析（图）

         参考观研天下发布《 2018年中国半导体测试市场分析报告-行业深度调研与发展前景研究 》

         （一）光刻机原理与内部结构 

         光刻机根据应用工序不同，可以分为用于生产芯片的光刻机，以及用于封装的光刻机，其中封装光刻机对于光刻精度和控制精度的要求都比制造用光刻机低很多，价值量也相对较低，本文主要讨论用于芯片制造领域的光刻机。
         光刻机是芯片制造中光刻环节的核心设备，技术含量、价值含量极高。光刻机涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术，是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备，因此也具备极高的单台价值量，目前世界上最先进的ASML EUV光刻机单价达到近一亿欧元，可满足7nm制程芯片的生产。
光刻机工作原理：光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图。不同光刻机的成像比例不同，有5:1，也有4:1。
          激光器：光源，光刻机核心设备之一。
          光束矫正器：矫正光束入射方向，让激光束尽量平行。
          能量控制器：控制最终照射到硅片上的能量，曝光不足或过足都会严重影响成像质量。
          光束形状设置：设置光束为圆型、环型等不同形状，不同的光束状态有不同的光学特性。
          遮光器：在不需要曝光的时候，阻止光束照射到硅片。
          能量探测器：检测光束最终入射能量是否符合曝光要求，并反馈给能量控制器进行调整。
          掩模版：一块在内部刻着线路设计图的玻璃板，贵的要数十万美元。
          掩膜台：承载掩模版运动的设备，运动控制精度达到纳米级。
          物镜：物镜由20多块镜片组成，主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小，再被激光映射的硅片上，并且物镜还要补偿各种光学误差。技术难度就在于物镜的设计难度大，精度的要求高。
          量台、曝光台：承载硅片的工作台，一般的光刻机需要先测量，再曝光，只需一个工作台，ASML的双工作台光刻机则可以实现一片硅片曝光同时另一片硅片进行测量和对准工作，能有效提升工作效率。
          内部封闭框架、减振器：将工作台与外部环境隔离，保持水平，减少外界振动干扰，并维持稳定的温度、压力。

图：光刻机工作原理图

         （二）光刻机的发展本质是为了满足更高性能、更低成本芯片的生产需求 

半导体芯片具有不同的制程，即不同的技术节点，经常看到的45nm、28nm、10nm等字样即是对不同制程的描述，那么不同的制程该如何理解，不同制程的芯片又有何差异呢？

         这要从集成电路的最基本单元——晶体管说起，用半导体制造晶体管是利用其特殊的导电能力来传递0或1的数字信号。晶体管的内部结构图如下图所示，在栅区不通电的情况下，源区信号很难穿过不导电的P型衬底到达漏区，即表示电路关闭（数字信号0），如果在栅区和衬底间加上电压，衬底中的电荷就会在异性相吸的作用下在绝缘氧化层下大量聚集，形成一条细窄的导电区，使得源区和漏区导通，电流就可以顺利从源区传递到漏区（信号1），这就是晶体管最基本的工作原理。而栅极下方两个N—阱间的距离，即导电沟道的长度，被定义为晶体管的尺寸。

         在现代晶体管中，电子的速度是有限的，且一般以饱和速度运行，因此信息传递的速度就由导电沟道的长度来决定，沟道越短，信息传递速度越快。


         芯片的制程可以近似理解为内部晶体管导电沟道的长度，制程小的芯片具有两大优势：
         处理速度快。小制程芯片内部晶体管导电沟道短，信号传递速度快，单位时间内芯片能处理更多的信息，时钟频率更高。
         单位面积性能提升，成本降低。更小的晶体管尺寸意味着单位面积芯片可以制造更多的晶体管，芯片集成度得到提升，即增加了芯片的功能，又使单位芯片的成本得到降低。

         光刻工艺水平决定了晶体管尺寸的大小，因此芯片制程的不断缩小必然伴随着光刻机产品的不断升级和创新，从本质上说，正是半导体产业对更高性能、更低成本芯片的不断追求推动了光刻机设备的不断创新与发展。

         光刻机是延续摩尔定律的关键。摩尔定律提出，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。半导体行业最初三十年的发展能够基本满足摩尔定律，关键就在于光刻机能不断实现更小的分辨率水平。近十年来摩尔定律的时间间隔已经延长至3-4年，原因就在于光刻机的发展低于行业的预期。