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光刻机——人类工业设备皇冠上的明珠！
光刻机现在大家都知道是半导体设备最高端的设备，有着“人类工业设备皇冠上的明珠”的美誉，一台高端的光刻设备售价是几千万美金，甚至到几亿美金，堪比一架飞机的售价。
有人从字面意义上去理解光刻机，总以为是类似激光设备，在硅片上“刻”一些复杂的电路，其实这种理解是错的，光刻机更准确的叫法应该是“曝光机”。
从原理上来讲，光刻机并不复杂，本质上就是一个大型单反相机，它的工作是把掩膜板的图形，经过一定比例的微缩后投影到硅片上，完成图形化的第一步。由于目前晶体管最小尺寸，以及到了史无前例的几纳米水平，因此对光刻机的投影精度要求之高，分辨率之小，堪称史上最变态。从技术难度上而言，光刻机的研发难度不亚于原子弹，甚至有过之而无不及。
而且光刻机和原子弹最大的区别是，原子弹有就行了，没人会在意成本，毕竟原子弹存在的意义就是和对手有对等的核威慑能力，又不会买卖，谁会在意原子弹的成本？
但是光刻机它是工业设备啊，一款设备最核心的问题是你得好用，能帮客户赚钱的设备才有它存在的意义啊！！！不能赚钱的设备，客户是无法接受的！！！
尽管国产光刻机在某些参数上已经追上国外同款，但是从帮客户赚钱的角度而言，还需要不断的迭代和改进，还有很长的路要走，期待这一天的早日到来。
毕竟设备又不是只用一次，不仅要效率高，还得有十年如一日的稳定性，这就是实验室样机到真正工业设备的漫漫长路。
在光的世界里，容不得半点误差，任何瑕疵都将影响最终成像质量，导致成批的晶圆直接报废，损失是巨大的。光刻机镜片制造商德国蔡司曾经做过一个比喻，假如镜片有德国这么大，那么镜片的高低误差只有正负一微米！只有这样镜片组，才能诞生人类世界最精细的光！
相信“国产最精细的光”也能在将来实现！
光刻三板斧
有人比喻光刻机的投影系统，相当于把一枚硬币图案的投影到月球上还能保持清晰。
为了实现这极其变态的缩影要求，蔡司光学设计大牛们，经过反复的理论计算，最终在DUV光刻机系列上设计了这种准对称双高斯光路结构来保证畸变和像质。
蔡司Starlith 19i系列镜头模型
在实际工作过程中，DUV光刻机所使用的193nm波长的深紫外光波长已经非常短了，如此短波长的光线每次穿过透光性再高的材料时候，依然会有部分能量被吸收，这部分损失的能量并不会消失，而是积累在镜片上，因此镜片的会因为长期工作积累热量而导致变形，最终导致成像精确度出现变化，影响光刻的良率，这当然是不能忍受的，要是知道光刻机要变成印钞机，就必须保证工作中极强的稳定性，以及投影效果的一致性。
早期至今的各个型号的光刻机投影系统
因此为了保证长期工作下积累的热量不影响投影效果，不仅镜片使用了特殊的晶体材料——氟化钙，同时镜片上会有特殊的涂层吸收多余热量以达到控制镜片变形，同时物镜外部还加上各种冷却系统及时把热量排出去。
在光学镜头系统上还需要配备热效应仿真软件，进行实时校准功能，及时调整镜片的位置和形变来进行校准和补偿。因此部分镜片被设计成可以移动的部件，配合系统量测结果和算法，实时微调镜片之间的距离，来补偿其他误差，保证最终投影的焦点，始终精准落在硅片表面，并形成清晰的图像。
同时在每次曝光之后，晶圆也要拿去做检测，确保成影的图像是符合设计要求的。
在光学检测领域也有一家公司也叫“爱马仕”——Hermes Microvision，HMI中文名汉民微测，这家“光学爱马仕”在2016年的时候被ASML收购了。
有了它，ASML实现光刻“三板斧”，计算光刻，光刻，量测。所以ASML并不是简单的光刻机制造商，而是图形化解决方案供应商！
ASML收购了Brion(睿初科技)有了计算光刻OPC（光学临近修正）能力；光刻，ASML自己有光刻机；量测方面有ASML Yieldstar和HMI的相关设备，其中HMI提供电子束方案，Yieldstar提供光学方案。
OPC光学矫正
因为有了在线量测技术，ASML做出了TWINSCAN系统(双工件台)，可以做到一边做量测的准备工作，一边做曝光，系统效率大幅上升。尼康受制于专利和技术，一直是单件台方案，量测曝光同时在一片硅片上进行，结果在竞争中一落千丈。
可见高端的半导体图形量测也是芯片制造过程中重要的一环！
明场与暗场
在芯片制造过程中，有大量的量测工作要做，看关键工艺是否符合指标，包括晶圆缺陷检测，关键尺寸，套刻精度，膜厚等等，于是各种各样的量测方案和设备就出现了。
来自中科飞测资料整理
从实际情况讲，现阶段的前道工艺中的检测手段主要包括电子束和光学两大技术路线。
从ASML这样的光刻图形化工艺解决方案商到晶圆工厂，各种各样的量测方案基本都基于这两种技术路线。
相比之下，光学检测方案具有速度快，无接触，兼容性好，容易集成等优点，在实际应用中多于电子束路线。
基于光学的路线，又分明场和暗场两个系统。
明场（BF）和暗场（DF）的区别在于一个是透射束成像，一个是衍射束成像。二者在照明方法、成像原理等方面存在较大差异，技术难度上也有一定差别，整体而言明场系统对照明光束物理特征、成像系统、信噪比等方面的要求更加严格。一般来说，无图形晶圆的缺陷检测多用暗场系统，有图形晶圆的缺陷检测使用明场系统或是二者的结合。
两者都是芯片检测手段的一种，根据实际情况，通常会使用组合方案，尽可能的实现检测准确性。
整个前道量测设备的市场规模并不小，一般在整个半导体设备中占10%-12%，2022年大约是100-120亿美金左右的市场规模。是在高阶制程的fab厂里，高端量测检测的设备投资占比可能更大，毕竟28nm以下高阶制程的工艺步数突然增加，达到甚至突破2000个steps！在如此多的工艺步奏下，显然检测环节变得更加重要，它是帮助晶圆厂控制良率的关键，因此检测环节大增，对应的检测设备用量也比普通成熟制程的要大。
相比之下，这些年国产设备在前道工艺设备上取得了长足的进步，在刻蚀，薄膜沉积，清洗，涂胶显影，CMP，离子注入，热处理，电镀等环节均实现国产突破，甚至部分领域已经能与国外巨头有一争高下的实力。
但是在高端量测领域差距还是很大，KLA，ASML，日立，AMAT等公司依然占据超过95%以上的市场份额，特别是KLA，一家就占了一大半，不愧是世界级半导体公司，其地位难以撼动，而国产检测设备公司，堪堪迈过0到1的阶段。
之所以，国产量测设备到现在才将将突破，主要是量测设备的技术含量非常高，有着“小光刻机之称”，其部分技术特点和难度，真的能媲美光刻机，而且售价也非常高昂，一台高端的明场缺陷检测售价高达数百万至上千万美金，高于刻蚀和沉膜一个档次，价值可见一斑！
谁能胜出？
差距就是动力，这些年国产检测设备也在不断努力突破，包括精测，睿励，中科飞测，东方晶源，御微，优睿谱，埃芯，中安等，以及通过收购相关资产进入这个领域的如赛腾，天准等。
这些公司各有所长，有些擅长明暗场系统，有些专注电子束，有些专注缺陷，有些主打膜厚，如百花争艳一般，在不断努力提高相关国产设备水平和国产化率。
最近精测电子表示，公司的深圳控股子公司精积微收购1.73亿元订单。
根据业内人士透露，应该是明场缺陷检测设备，能对标KLA 2910/2915系列，可以用于28nm制程的相关前道检测，而缺陷检测也是前道量测设备中最关键的，占到55%左右。可以幸喜的看到国产设备在这个了领域终于有了重大突破。
KLA官网资料
结语
有着“小光刻机之称”的前道量测设备，一直是我们的弱项，起步晚，底子薄，国际巨头在这个领域积累多年，像一座难以逾越的的大山横在面前，但是随着国内同仁的不断努力，终于实现了0到1的重大突破。
希望有更多的国产设备公司能够在各个领域百花齐放！
下载ECAD模型
