什么是半導體曝光設備？半導體曝光設備的應用及原理

什么是半導體曝光設備？

半導體曝光設備是半導體制造過程中用于在硅片上繪制電路圖案的設備。強大的紫外光透過光掩模，作為電路圖案的原型，電路圖案被轉移到涂有光刻膠的硅晶片上。近年來，一些設備使用波長為 13 nm 的激光（稱為 EUV）來微型化精細電路圖案。由于定位等要求高精度，因此設備價格昂貴。

半導體曝光設備的應用

半導體曝光設備用于包含MOS（金屬氧化物半導體）和FET（場效應晶體管）等半導體元件的IC（集成電路）制造過程中的曝光工序。

在IC制造過程中，在硅晶片上依次重復光刻和蝕刻循環，并且在將氧化硅、金屬等層層壓并加工成預定圖案的過程中，半導體元件所需的特性被加工為執行得如此，它已經 .例如，在n型MOS(NMOS)的情況下，在p型硅基板的柵極區域上形成氧化硅膜和柵極金屬，并向漏極和源極注入高濃度雜質離子。這形成了n型（n+型）MOS。這一系列工序中的光刻工序和蝕刻工序如圖所示地構成(成膜工序S1～抗蝕劑剝離工序S6)。

其中，曝光工序(S3)使用半導體曝光裝置來進行。根據電路圖案的尺寸和半導體元件的精度，使用不同的曝光設備波長。

半導體曝光設備原理

半導體曝光設備由光源、聚光透鏡、光掩模、投影透鏡和載物臺組成。從光源發出的紫外光通過聚光透鏡調整，使其指向同一方向。之后，紫外光穿過作為構成電路圖案的一層的原型的光掩模，并通過投影透鏡減少光線，將半導體元件的電路圖案（的一層）轉移到半導體元件上。馬蘇。在諸如步進機之類的曝光設備中，在完成一次轉移之后，通過平臺移動硅晶片，并將相同的電路圖案轉移到硅晶片上的另一位置。通過更換光掩模，可以轉印半導體器件的另一層電路圖案。

所使用的光源包括波長為248 nm的KrF準分子激光器、波長為193 nm的ArF準分子激光器以及波長為13 nm的EUV光源。

最新的半導體制造工藝的設計規則（最小加工尺寸）變得更加精細，達到3至5納米左右，因此聚光透鏡、光掩模、投影透鏡和平臺都需要納米級的高精度。此外，隨著層壓的進行，進行多次曝光以改變電路圖案并形成單個半導體。

半導體光刻設備市場規模及份額

全球電子設備市場持續擴大，支撐其的半導體產業變得越來越重要。盡管2019年全球半導體市場經歷了負增長，但盡管過去經歷過雷曼沖擊，但仍持續擴張。近年來，存儲器的技術發展從小型化轉向3D技術，蝕刻技術的重要性日益增加。

截至2018年，半導體光刻設備的市場規模為10852億日元。
按消費地區來看，韓國以36%占主要地位，其次是中國臺灣地區（19%）、中國大陸（18%）、美國（14%）、日本（7%）。半導體光刻設備廠商按國籍劃分的市場（2018年）為歐洲（84%）、日本（14%）和美國（2%），其中歐洲和日本幾乎形成寡頭壟斷。

關于EUV曝光設備

EUV（Extreme Ultraviolet的縮寫）曝光設備是一種使用被稱為極紫外光的極短波長光的半導體曝光設備。可以加工使用ArF準分子激光的傳統曝光設備難以加工的更精細尺寸。

半導體小型化正在按照摩爾定律進行（半導體集成電路的高度集成度和功能將在三年內提高四倍）。到目前為止，通過稱為步進器的縮小投影曝光技術、更短的曝光波長和浸沒式曝光技術的開發，分辨率已得到顯著提高。

小型化是指晶圓上可印刷的最小加工尺寸變得更小，最小加工尺寸R由下面的瑞利方程表示。
　R=k·λ/NA *k為比例常數，λ為曝光波長，NA為曝光光學系統的數值孔徑

通過各種技術的發展，通過減小k、減小λ和增大NA來實現小型化。
EUV曝光設備是一種可以通過縮短曝光波長來突破以往限制的技術，近年來已開始量產。

關于半導體曝光設備的價格

半導體光刻設備目前對于半導體的高效量產來說是重要的，但它是高精密的機器，而且價格昂貴。

半導體光刻設備采用的光源波長越短，可以形成的圖案越精細，但光刻設備的成本也會越高。據稱每個波長的成本為i-line約18000000元、KrF約60000000元、ArF干式約90000000元、ArF浸沒式約280000000元、EUV約900000000元。

電路越精細，可以實現越快的信號傳輸和節能，但近年來，由于小型化，無法忽視工藝成本的增加，包括半導體曝光設備的價格。

就半導體光刻設備所需的性能而言，從半導體制造的成本角度來看，半導體光刻設備的吞吐量也是一個重要指標。吞吐量是表示電路圖案曝光速度的性能，隨著吞吐量的增加，每個硅芯片的制造成本（運行成本）會降低。這在半導體芯片的大規模生產過程中非常重要。