光刻機技術解析
利用光刻機發出的光通過具有圖形的光罩對塗有光刻膠的薄片曝光，光刻膠見光後會發生性質變化，從而使光罩上得圖形複印到薄片上，從而使薄片具有電子線路圖的作用。這就是光刻的作用，類似照相機照相。照相機拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電路圖和其他電子元件。
簡單點來說，光刻機就是放大的單反，光刻機就是將光罩上的設計好集成電路圖形通過光線的曝光印到光感材料上，形成圖形。
上圖是一張ASML光刻機介紹圖。下面，簡單介紹一下圖中各設備的作用。
測量臺、曝光臺：是承載硅片的工作臺。
激光器：也就是光源，光刻機核心設備之一。
光束矯正器：矯正光束入射方向，讓激光束儘量平行。
能量控制器：控制最終照射到硅片上的能量，曝光不足或過足都會嚴重影響成像質量。
光束形狀設置：設置光束爲圓型、環型等不同形狀，不同的光束狀態有不同的光學特性。
遮光器：在不需要曝光的時候，阻止光束照射到硅片。
能量探測器：檢測光束最終入射能量是否符合曝光要求，並反饋給能量控制器進行調整。
掩模版：一塊在內部刻着線路設計圖的玻璃板，貴的要數十萬美元。
掩膜臺：承載掩模版運動的設備，運動控制精度是nm級的。
物鏡：物鏡用來補償光學誤差，並將線路圖等比例縮小。
硅片：用硅晶製成的圓片。硅片有多種尺寸，尺寸越大，產率越高。題外話，由於硅片是圓的，所以需要在硅片上剪一個缺口來確認硅片的座標系，根據缺口的形狀不同分爲兩種，分別叫flat、 notch。
內部封閉框架、減振器：將工作臺與外部環境隔離，保持水平，減少外界振動干擾，並維持穩定的溫度、壓力。
在加工芯片的過程中，光刻機通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫着線路圖的掩模，經物鏡補償各種光學誤差，將線路圖成比例縮小後映射到硅片上，然後使用化學方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖。一般的光刻工藝要經歷硅片表面清洗烘乾、塗底、旋塗光刻膠、軟烘、對準曝光、後烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經過一次光刻的芯片可以繼續塗膠、曝光。越複雜的芯片，線路圖的層數越多，也需要更精密的曝光控制過程。
鏡頭：
鏡頭是光刻機最核心的部分，採用的不是一般的鏡頭，可以達到高2米直徑1米，甚至更大。光刻機的整個曝光光學系統，由數十塊鍋底大的鏡片串聯組成，其光學零件精度控制在幾個納米以內，目前光刻機鏡頭最強大的是老牌光學儀器公司德國蔡司，ASML用的就是他家的鏡頭。
光源：
光源是光刻機核心之一，光刻機的工藝能力首先取決於其光源的波長。下表是各類光刻機光源的具體參數：
最早光刻機的光源是採用汞燈產生的紫外光源(UV:UltravioletLight)，從g-line一直髮展到i-line，波長縮小到365nm，實際對應的分辨率大約在200nm以上。
隨後，業界採用了準分子激光的深紫外光源(DUV:DeepUltravioletLight)。將波長進一步縮小到ArF的193nm。不過原本接下來打算採用的157nm的F2準分子激光上遇到了一系列技術障礙以後，ArF加浸入技術(ImmersionTechnology)成爲了主流。
所謂浸入技術，就是讓鏡頭和硅片之間的空間浸泡於液體之中。由於液體的折射率大於1，使得激光的實際波長會大幅度縮小。目前主流採用的純淨水的折射率爲1.44，所以ArF加浸入技術實際等效的波長爲193nm/1.44=134nm。從而實現更高的分辨率。F2準分子激光之所以沒有得以發展的一個重大原因是，157nm波長的光線不能穿透純淨水，無法和浸入技術結合。所以，準分子激光光源只發展到了ArF。
這之後，業界開始採用極紫外光源(EUV:ExtremeUltravioletLight)來進一步提供更短波長的光源。目前主要採用的辦法是將準分子激光照射在錫等靶材上，激發出13.5nm的光子，作爲光刻機光源。目前，各大Foundry廠在7nm以下的最高端工藝上都會採用EUV光刻機，其中三星在7nm節點上就已經採用了。而目前只有荷蘭ASML一家能夠提供可供量產用的EUV光刻機。
分辨率：
光刻機的分辨率(Resolution)表示光刻機能清晰投影最小圖像的能力，是光刻機最重要的技術指標之一，決定了光刻機能夠被應用於的工藝節點水平。但必須注意的是，雖然分辨率和光源波長有着密切關係，但兩者並非是完全對應。具體而言二者關係公式是：
公式中R代表分辨率；λ代表光源波長；k1是工藝相關參數，一般多在0.25到0.4之間；NA(NumericalAperture)被稱作數值孔徑，是光學鏡頭的一個重要指標，一般光刻機設備都會明確標註該指標的數值。
所以我們在研究和了解光刻機性能的時候，一定要確認該值。在光源波長不變的情況下，NA的大小直接決定和光刻機的實際分辨率，也等於決定了光刻機能夠達到的最高的工藝節點。
套刻精度：
套刻精度(OverlayAccuracy)的基本含義時指前後兩道光刻工序之間彼此圖形的對準精度(3σ)，如果對準的偏差過大，就會直接影響產品的良率。對於高階的光刻機，一般設備供應商就套刻精度會提供兩個數值，一種是單機自身的兩次套刻誤差，另一種是兩臺設備（不同設備）間的套刻誤差。
套刻精度其實是光刻機的另一個非常重要的技術指標，不過有時非專業人士在研究學習光刻機性能時會容易忽略。我們在後面的各大供應商產品詳細列表裏，特意加上了這個指標。
工藝節點：
工藝節點(nodes)是反映集成電路技術工藝水平最直接的參數。目前主流的節點爲0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm等。傳統上(在28nm節點以前)，節點的數值一般指MOS管柵極的最小長度(gatelength)，也有用第二層金屬層(M2)走線的最小間距(pitch)作爲節點指標的。
節點的尺寸數值基本上和晶體管的長寬成正比關係，每一個節點基本上是前一個節點的0.7倍。這樣以來，由於0.7X0.7=0.49，所以每一代工藝節點上晶體管的面積都比上一代小大約一半，也就是說單位面積上的晶體管數量翻了一番。這也是著名的摩爾定律(Moore’sLaw)的基礎所在。一般而言，大約18~24個月，工藝節點就會發展一代。
但是到了28nm之後的工藝，節點的數值變得有些混亂。一些Foundry廠可能是出於商業宣傳的考量，故意用一些圖形的特徵尺寸(FeatureSize)來表示工藝節點，他們往往用最緻密週期圖形的半間距長度來作爲工藝節點的數值。這樣一來，雖然工藝節點的發展依然是按照0.7倍的規律前進，但實際上晶體管的面積以及電性能的提升則遠遠落後於節點數值變化。更爲麻煩的是，不同Foundry的工藝節點換算方法不一，這便導致了很多理解上的混亂。根據英特爾的數據，他們20nm工藝的實際性能就已經相當於三星的14nm和臺積電的16nm工藝了。
上圖爲英特爾公佈的10nm節點詳細工藝參數對比。由圖可以明顯看到，同樣10nm工藝節點上，英特爾的晶體管密度大約是三星和臺積電的兩倍。
在65nm工藝及以前，工藝節點的數值幾乎和光刻機的最高分辨率是一致的。由於鏡頭NA的指標沒有太大的變化，所以工藝節點的水平主要由光源的波長所決定。ArF193nm的波長可以實現的最高工藝節點就是65nm。
而到了65nm以後，由於光源波長難於進一步突破，業界採用了浸入式技術，將等效的光源波長縮小到了134nm。不僅如此，在液體中鏡頭的NA參數也有了較大的突破。根據ASML產品數據信息，採用浸入技術之後，NA值由0.50–0.93發展到了0.85–1.35，從而進一步提高了分辨率。同時，在相移掩模(Phase-ShiftMask)和OPC(OpticalProximityCorrection)等技術的協同助力之下，在光刻設備的光源不變的條件下，業界將工藝節點一直推進到了28nm。
而到了28nm以後，由於單次曝光的圖形間距已經無法進一步提升，所以業界開始廣泛採用MultiplePatterning的技術來提高圖形密度，也就是利用多次曝光和刻蝕的辦法來產生更緻密圖形。
值得特別注意的是，MultiplePatterning技術的引入導致了掩模(Mask)和生產工序的增加，直接導致了成本的劇烈上升，同時給良率管理也帶來一定的麻煩。同時由於前述的原因，節點的提升並沒有帶來芯片性能成比例的增加，所以目前只有那些對芯片性能和功耗有着極端要求的產品纔會採用這些高階工藝節點技術。於是，28nm便成爲了工藝節點的一個重要的分水嶺，它和下一代工藝之間在性價比上有着巨大的差別。大量不需要特別高性能，而對成本敏感的產品(比如IOT領域的芯片)會長期對28nm工藝有着需求。所以28nm節點會成爲一個所謂的長節點，在未來比較長的一段時間裏都會被廣泛應用，其淘汰的時間也會遠遠慢於其它工藝節點。
各個工藝節點和工藝及光刻機光源類型的關係圖
根據業界的實際情況，英特爾和臺積電一直到7nm工藝節點都依然使用浸入式ArF的光刻設備。但是對於下一代的工藝，則必須採用EUV光源的設備了。目前全球只有ASML一家能夠提供波長爲13.5nm的EUV光刻設備。毫無疑問，未來5nm和3nm的工藝，必然是EUV一家的天下。事實上，三星在7nm節點上便已經採用了EUV光刻設備，而中芯國際最近也訂購了一臺EUV用於7nm工藝的研發。
在售的部分光刻機的列表及相關參數
目前光刻設備按照曝光方式分爲Stepper和Scanner兩種。Stepper是傳統地一次性將整個區域進行曝光；而Scanner是鏡頭沿Y方向的一個細長空間曝光，硅片和掩模同時沿X方向移動經過曝光區動態完成整個區域的曝光。和Stepper相比，Scanner不僅圖像畸變小、一致性高，而且曝光速度也更快。所以目前主流光刻機都是Scanner，只有部分老式設備依舊是Stepper。上表中如果沒有特別註明，都是屬於Scanner類型。