nikon光刻机

光刻机就是一台大照相机，带光刻胶的wafer就是底片，reticle上的图形就是风景，光源（汞灯或者激光）就是太阳光，当快门打开，光投射到reticle上，经过镜头的投射，就在wafer上成像了。和照相机不一样，每个风景只要拍一次就好了，reticle上的图形要拍很多次，要把整个wafer布满才算曝光结束。

从我熟悉的nikon光刻机说起：NIKON曾经是半导体行业的光刻之王，全世界80%的stepper都是nikon的，但是光刻机并不是日本人最先发明的，最早的大概是美国的GCA了，NIKON顶多算是GCA儿子。日本人是比较精明，他们买了一台GCA，把它拆开来仔细研究，在GCA的基础上进行了改进，再加上自己的优势->镜头（NIKON本来是军工企业，给小日本做潜艇望远镜的），推出了G4 （G4是我所知道的最老的型号的NIKON stepper了，不知道有没有G1-G3，如果有，我相信保有量也不是特别大，应该不是特别成熟）。紧接着G6, G7和G8的推出，把NIKON推入到巅峰时刻。那个时候全世界只知道NIKON，ASML和Canon 那时候根本不是对手。可以说在stepper上，NIKON是最大的赢家。随着技术的推进，stepper 已经跟不上时代的发展，大家开始往scanner上发展了，随着ASML推出创新的TWINSCAN，靠着产能的优势，一举打败了nikon，夺走了光刻机老大的地位，而且从那以后，NIKON一直没能翻身，市场被一点点蚕食，再也没有往日的辉煌了。

聊了一点历史，有些也是道听途说，不过大部分应该是真的，如果哪位兄弟了解得更详细，可以分享出来，让大家长长见识。CANON没接触过，据说12寸的STEPPER比较有市场，HYNIX用的就是CANON+ASML。

NIKON光刻机的主要组成部分:其实大部分光刻机组成都是一样的，一般分为：照明系（光源+产生均匀光的光路），STAGE（包括RETICLE STAGE和WAFER STAGE)，镜头（这个是光刻机的核心），搬送系（wafer handler+ reticle handler)，alignment （WGA, LSA, FIA)。另外半导体的工作温度是23度，要保证wafer在恒温和无particle的环境，一个chamber是必须的。

下面就是说一说各个组成部分怎么来进行工作的，可能有些地方说的不对，毕竟有一段时间没有去搞过它了，希望各位谅解。

照明系：顾名思义，用来照明的系统，光刻机的原理就是用光来投射到reticle上产生衍射，然后镜头收集到光汇聚到wafer上，形成图形，所以光是产生图形的必要条件。具体请翻阅一些工艺的相关资料，在这就不多说了。要有光首先要有光源，一般stepper都是用汞灯做光源，最早有1kw，2kw到最后发展到了5kw，越来越恐怖。后来为了提高分辨率，采用了新的光源：laser，分为Krf(248nm)和Arf（193nm)，laser也是不断在增加功率，现在最高的可以达到60kw级别了（相当恐怖的激光能量）。为什么要发展大功率的汞灯和激光呢？这是产能的需求，在相同的曝光量下，光源的功率越高，曝光需要的时间越少，这样单位时间里面产能越高。

汞灯发出的光向各个方向扩散，我们需要把光汇聚起来，打到大光强的目的，这时候一个椭圆镜是必须的了。我们知道椭圆有两个焦点，我们把光源放到一个焦点上，那么光就会聚到另外一个焦点上，那就是快门的位置。同时这个椭圆镜还有另外一个功能，吸收不需要的光线。这种镜子上有一层涂层，一般500nm以上的红外光不被反射，而是被吸收。这些光会被产生热量，所以装汞灯的地方一定需要一个散热的东西，功率小一点的就用风扇吹，功率大的话就水冷了。

反射出来的光也不是全部需要的，我们只需要365nm（I-line）或者436nm（G-line）的波长，别的波长的光也是要淘汰的，这时候filter就上场了，它的作用就是过滤掉不要的东西，只让需要的波长的光通过。

激光作为光源就不需要上面的这些东西了，因为从激光器里面出来的光已经是很纯的了，不需要再过滤。

有了我们需要的光源就可以曝光了吗？当然不可以，因为我们不仅需要很纯的光，还需要均匀的光，这样投射到wafer上不会造成各个地方的CD不一致。谁来担当这个重任呢？各个厂家用的都不一样，nikon是一种叫flyeye的镜头。这种镜片用很多块凸透镜组成，光打到上面就会在各个地方产生汇聚的作用，这样在relay lens的帮助下，一个平行的均匀的光产生了。ASML用的是一种叫quad rod的玻璃长方体，具体原理不是特别清楚，反正也是光在里面反射很多次，最后出来的光就被均匀化了。

OK，现在有了均匀的光了，我们就可以拿来曝光用了，可是有时候我们不需要全部视场大小的光，可能只要曝光一个很小的区域，这时候用于挡光的机构，nikon叫blind，ASML 叫REMA的东西就用上了，他们都是上下左右四块挡片，用马达带动，需要多大的区域只要让马达带动挡片，把不要的光遮住，这样就可以曝光我们需要的地方了。最后，通过一块大的lens把光汇聚一下，就可以投射到reticle上进行曝光了。

这些是照明系的主要组成部分，随着技术的发展，厂家加入一些用于提供分辨率的机构来达到要求。比如NIKON有一种变形照明，在光路中加入了一个可以旋转的圆盘，圆盘上有一些用于产生特定图形的东西，如小sigma，annual等等，有的时候还需要两块flyeye来进行光的处理。在ASML的光路里，又会有很多负责产生各种pupil的机构，以及发展到最后，需要偏振光，等等。反正是越先进的东西，里面的镜头用的就越多。

stage，直接理解就是工作台。每一片wafer就是放在这个工作台上进行曝光的。因为一个产品不可能只曝一层就可以了，这就需要每一层之间的overlay要非常小，不至于产品报废。Stage的工作精度是保证Overlay的重要因素之一。为什么说“之一”呢？因为曝光的过程是各个module合作的结果，要每一个module都很好才能生产出合格的产品。除了stage，alignment系统和Lens的畸变都会影响到Overlay的结果。

Stage都有那些东西呢？首先要有水平方向移动的驱动部件，比较老的机器如G6和I8等stepper都是有刷电机带动丝杆，等到先进一点的机器如I14，就发展到用线性马达驱动了，stage使用的是气浮台，阻力比丝杆小很多，这样速度也就上去了。除了水平方向，垂直方向也要可以动作，这样才能保证wafer在lens的焦面上工作。熟悉老的机器的TX知道WS专门有一个叫Z-stage的组成部分，它是chuck下面有一个楔形机构，用一个马达拖动，通过这个楔形机构使水平运动转化为垂直运动。等到更先进一点的机器，从I12开始，Z-stage 和leveling stage集成到一起，在chuck底下平均分布这三个带楔形机构的马达，叫Z-thita 马达，这三个马达向同一方向运动，就能达到Z方向运动的目的，向不懂方向运动，就可以补偿leveling。什么叫leveling？就是找到水平面。这个水平面不是绝对水平面，而是焦面。lens的焦面不可能做到完全水平，多多少少会有一点倾斜，而且wafer表面经过多层工艺，表面上已经是高低不平，所以每次曝光之前都要把这个水平面找到，在leveling系统和leveling stage的共同作用下，补偿这个offset。

除了X，Y，Z(Z-stage)，Rx，Ry(leveling stage)方向的运动，Rz方向也需要的。Rz也就是rotation，补偿的是wafer的rotation。一片wafer放到stage上面，不可能每次都放的非常准，多多少少有一点偏差，XY方向可以用stage的位置来补偿，rotation就要靠thita stage来补偿了。这个stage设计的有点傻，它的旋转支点不在wafer正中间，这样造成补偿thita时候，XY方向也跟着变化。后来的机器（i12开始），就取消了这个stage，直接用reticle rotation 来补偿了。

NIKON的stage是一种塔状设计，最底层是XY方向运动的stage，上面是Z-stage，再上面一层就是leveling stage，再上面就是Theta stage，然后就是chuck了。但是从i12开始，Leveing staage和theta stage被取消了，这样就精简了很多，所以i12以后的设计还是比较科学的。

上面介绍了一些stage硬件构成，但是仅仅这些马达不能使stepping精度到达um级别，

甚至nm级别（在scanner出现以后，stage的精度需要到nm级别了）。闭环控制很重要的一环就是要有反馈，反馈从哪里来的呢？当然是测量系统给出来的。Stage的stepping精度取决于测量系统和马达的配合。所有的stage的水平方向的运动都是靠HP干涉计来确定的（不管是NIKON还是ASML，CANON都是用HP interferometer，别无二家），它的原理就是迈克尔逊干涉仪和多普勒效应，有兴趣的可以百度一下。最刚开始G6或者g7只用两根激光，X和Y方向各一根，越往后激光用得越多，到后来听说要达到十几根，那时候的控制已经是非常复杂了，超出我所能理解的范畴了。

Reticle stage的设计就没有那么复杂了，它的作用就是找到reticle的mark，把它对准到lens上的reference上，这样就相当于reticle的中心在lens中心了。NIKON的RS有三个马达，只做水平运动，一个X方向，两个Y方向，这样两个Y方向马达控制reticle的ratate Alignment系统，包括reticle alignment和wafer alignment，最终目的其实就是为了找到reticle的中心，通过镜头的投射，和wafer shot的中心重合。对于G6这种时代的老机器，reticle alignment比较简单。假设lens为不动，在lens边上安装有两个或者三个reticle alignment sensor（取决于机型），这两个sensor机械位置的中心就认为是lens的中心，reticle 送到RS上以后，就会search reticle mark，找到sensor的位置，然后把reticle mark对准到这些RA sensor上。对准的原理是跟auto focus一样的基准波和倍周波信号，搞过NIKON的都应该知道，具体请看manual。等到mark都对准到sensor上，reticle alignment就认为结束了，但是sensor有一个误差范围，为了知道这个误差，用stage上的fidicual mark来check reticle 在Y方向的误差，就能知道reticle的rotation了。

关于temperature controller的内容。

NIKON 镜头温度要求保持在23°，ASML为22°，为了实现这个目的，机器在镜头周围做了一个与外界隔离的chamber，控制这个charmber的温度保持在23。同时，镜头周围会有cooler，老机器如G6,G7等用LATC（Lens Air Temp. Control), 较新一点的机器就用LLTC(Lens Liquid Temp. Control)了，使用FC77作为热传导的介质，控制FC77的温度在23°，然后将液体循环到Lens cooler里面，从而达到稳定温度的作用。

实现chamber温度的稳定，需要一个大大的空调系统，跟我们家用空调原理一样，需要压缩机，冷凝器，蒸发器还有氟利昂，有时候温度达不到要求，就要考虑是不是要加点氟利昂了。