“光刻机”的概念、技术及其在专利文献中的分布

摘 要：光刻机技术是大规模集成电路制造领域中的核心技术。文章介绍了光刻机的概念、结构及其简要技术发展历程，并列举和解释了光刻机技术领域的重点技术术语，此外，针对光刻机技术的专利文献查新检索，总结了光刻机技术在专利文献分类中的分布情况。

关键词：光刻，光刻机，专利，IPC分类

中图分类号：N04；TN4；TN30S 文献标识码：A 文章编号：1673-8578（2014）S1-0075-03

Technology of Lithography Tool and its Distribution in Patent Literatures

WANG Xiaodong

Abstract： Lithography tool is a core device used in the manufacture of integrated circuits. The concept， construction and development of lithography tool are introduced in this paper. Several important technical terms are commentated. The distribution of patent literatures concerning the stepper in the IPC classification is proposed for scitech novelty retrieval.

Keywords： lithography，lithography tool，patent，IPC

收稿日期：2014-06-28

作者简介：王晓东（1977—），男，江苏苏州人，专利审查助理研究员，研究方向为光学及激光技术。通信方式：wangxiaodong_2@sipo.gov.cn。

一 光刻机的概念

光刻是通过曝光将掩膜图案转移到涂覆于硅片表面的光刻胶上，再经显影、刻蚀等步骤将图案转移到硅片上的工艺过程[1]。光刻机（lithography tool）是实施光刻工艺的核心步骤，即“掩膜对准—图案曝光”的集成设备系统，光刻机的分辨率和精度直接决定了晶元上半导体元件的特征尺寸，从而决定了大规模集成电路的集成度。这使得光刻机成为大规模集成电路制造的关键技术设备。

光刻机主要分为光学光刻式和非光学光刻式。前者如接触式光刻、接近式光刻、干涉式光刻、光学投影光刻；后者如非光学光刻式，如电子束光刻、X射线光刻、离子束光刻、原子力光刻、等离子体光刻。光学投影式光刻机是目前半导体产业中使用最为普遍的光刻机类型。

光学投影式光刻机系统一般包括照明、投影光学系统，自动对焦、调平调焦系统，掩膜、硅片传输系统，工作台系统，环境控制、框架减震、整机控制等多个子系统。从光刻机的系统组成可以发现，其涉及光学、精密机械、计算机控制、图像处理、真空技术等众多学科领域，光刻机本身是多学科交叉的产物，更是基础研究和应用研究共同发展的产物。

二 光刻机技术的发展

半导体芯片在向高集成度和低成本方向发展的过程中遵循着摩尔定律：即集成电路的集成度每三年增长4倍，特征尺寸每三年缩小2倍。光刻机作为半导体产业最核心的技术，其演变与发展充分体现了集成电路制造的发展历程。自20世纪70年代至今，光刻机已经经历了10余代的技术发展。工艺节点由微米级1500nm发展到目前的纳米级65nm、45nm、22nm水平，光源波长从436nm发展到193nm，直至目前的极紫外（EUV）光刻技术，投影物镜的数值孔径由0.35增长到1.65，晶圆硅片尺寸由150mm扩大到450mm，除此之外，光刻机结构也发生了很大的变化，从早期的接触式、接近式到目前的步进扫描投影式，其性能与产率都得到了大幅提升[2]。

三 光刻机领域重要技术术语

光刻机技术的多学科交叉特征，使得光刻机技术领域中存在多个特有，或来源于其他领域但具有特殊含义的技术术语，择其重点介绍如下。

1.紫外、深紫外、极紫外光刻

光刻机的常见光源分为紫外（UV）、深紫外（DUV）和极紫外（EUV）光源，其中，紫外光通常指波长为436nm的g线、405nm的h线和365nm的i线；深紫外光通常指准分子激光器产生的248nm和193nm光；而极紫外又被称为远紫外、极远紫外或软X射线，波长一般在10nm～15nm[3]。曝光光源波长的缩短提高了曝光分辨率，但也导致对使用极紫外光源的照明、投影物镜系统中光学元件产生特殊的要求。

2.特征尺寸、关键尺寸和分辨率

硅片上形成图形的实际尺寸就是特征尺寸（feature size），最小的特征尺寸就是关键尺寸（critical dimension），分辨率（resolution）是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力。

3.投影掩膜版

投影掩膜版（reticle）为石英材质，包含了要在硅片上重复生成的管芯阵列图形，作用如同投影用的电影胶片。可与投影掩膜版交换使用的术语还有光掩膜版（photomask）和掩膜版（mask）。

4.投影式曝光

投影式曝光（projection printing）是在掩膜版与光刻胶之间使用投影光学系统实现曝光。投影式曝光可分为扫描投影曝光、步进重复投影曝光和扫描步进投影曝光。用于光刻机的投影光学系统可包括全折射投影光学系统、折反射投影光学系统和全反射投影光学系统等。

5.对准和套刻

对准（alignment）是将硅片和掩膜之间的相对位置对准。复杂的集成电路芯片需要进行多次曝光，每曝光一层图形需要用一块掩膜版，而每一块掩膜版在曝光前都需要和已曝光的图形进行对准，这称为套刻（overlay）。套刻精度是光刻机的关键技术指标，而对准精度是影响套准精度的关键因素。

6.调焦和调平

调焦（focusing）是把曝光场设定在投影物镜焦深范围内的某个位置或最佳焦面的过程，调平（leveling）是调节硅片表面与光刻机投影物镜的轴线相垂直的过程，调焦调平是将被曝光面准确地设定在有限的焦深范围之内。焦深随着波长不断减小，对曝光面位置精度要求更高，因此，调焦调平系统是高端光刻机中一个重要组成部分。

四 光刻机技术在专利文献中的分布

专利文献的分类规则并不是按照日常生活中的行业类型进行划分，因此，当需要针对光刻机技术领域进行专利文献的查新检索时，无法使用“光刻机”这样的检索词进行检索，而是需要借助专利文献的分类号进行检索。

专利文献的分类有多种划分方式，包括国际专利分类（International Patent Classification，IPC）、欧洲专利分类（European Classification，EC）、美国专利分类（the U.S. Patent Classification， UC）以及日本专利分类（FI/F—term）等。其中，使用最普遍的为国际专利分类（IPC）。IPC的目的是为了使专利文献获得统一的国际分类，为各知识产权局和其他使用者建立一套用于专利文献的高效检索工具。

在IPC分类体系中，涉及光刻机技术的专利文献按照其功能或应用分类被拆分在多个分类号下。首先，分类号G03F7/20（曝光及其设备）及其细分下的大部分文献均涉及光刻机或光刻方法。分类号G03F9/00（原稿、蒙片、片框、照片、图文表面对准或定位）及其细分下也涉及较多光刻技术文献，侧重于光刻机中的对准系统以及调焦调平系统。而涉及光刻机的光学系统（包括照明系统和投影系统等）的文献，则主要分布在G02B（光学元件、系统或仪器）这一小类中，特别是投影系统，主要分在G02B13/14、G02B13/22、G02B13/24、G02B17/08、G02B17/06等IPC分类号下。需要注意的是，G02B分类号下的光学系统并不都应用于光刻机，当仅检索应用于光刻机的光学系统文献时，可在上述分类号的基础上辅助使用关键词，以提高检索效率。

五 结 语

光刻机作为微电子装备中系统最复杂、技术难度最大、单系统价值最高的关键设备，是推动半导体产业发展的重要技术。极紫外光刻的出现虽然使光刻系统的材料、工艺接近极限，但随着科学技术日新月异的进步发展，光刻机技术必将取得更大突破。

参考文献

[1] Michael Q.半导体制造技术[M].韩郑生，等译，北京：电子工业出版社，2008.

[2] 袁琼雁，王向朝.国际主流光刻机研发的最新进展[J].激光与光电子学进展，2007，44（1）：57-64.

[3] 占平平，刘卫国.EUV光刻技术进展[J].科技信息，2011（21）：44，418.