光源及双工台同为光刻机核心部件，对光刻机效率起到重要作用
思瀚产业研究院    2025-06-12

1、光源的波长对光刻机的工艺能力起到决定性作用

光源是光刻机核心之一，光刻机的工艺能力首先取决于其光源的波长，目前主流的曝光波长从 g 线(436nm)、i 线(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)，一直缩减到 EUV(13.5nm)。常见光刻光源包括汞灯（g-line、i-line）、准分子激光（KrF、ArF）和极紫外光（EUV）。

1.1 汞灯

汞灯是一种气体放电灯。在汞灯内部，充有汞蒸气和少量其他气体（如氩气）。当灯两端电极加上高电压时，电子在电场作用下加速运动，与汞原子发生碰撞。汞原子吸收能量后从基态跃迁到激发态，激发态不稳定，会向低能级跃迁并辐射出光子。g-line 光源波长为 436nm，i-line 光源波长为 365nm，这些特定波长的光就是汞原子在特定能级跃迁过程中产生的。通过对汞灯的气体成分、气压、电极材料和形状等进行优化设计，可以提高特定波长光的输出效率和稳定性。

1.2 准分子激光

准分子激光是半导体制造中常用的深紫外(DUV)光源之一,是一种辐射几十纳秒脉宽的紫外放电气体激光器。准分子是激发态结合而基态离解的受激二聚体,其特点是基态不稳定,一般在振动弛豫时间内便分解为自由的粒子,而其激发态以结合的形式出现并相对稳定,以辐射的形式衰减,因而准分子激光具有高增益的特点。

1.3 EUV 光源

目前主流的 EUV 光源产生方法是激光等离子体（LPP）技术。在 LPP 系统中，高功率的脉冲激光聚焦在微小的锡（Sn）液滴靶上。激光能量使锡液滴迅速加热、蒸发并电离，形成高温高密度的等离子体。等离子体中的电子在复合过程中会辐射出波长为 13.5nm 的极紫外光。

以 ASML 的 EUV 光刻技术为例，在激光产生等离子体（LPP）源中，直径约为 25 微米的熔融锡液滴以每秒 70 米的速度从发生器中喷出。当它们下落时，液滴首先被低强度激光脉冲击中，将它们压平成煎饼状。然后，更强大的激光脉冲使扁平的液滴汽化，产生发射 EUV光的等离子体，为了产生足够的光来制造微芯片，这个过程每秒重复 50000 次。

2、双工台在光刻机中起到承载和移动晶圆的作用

双工件台系统是光刻机中承载和移动晶圆的关键子系统。ASML 的双工件台系统通过两个完整晶圆台的协同工作，大幅提高了光刻机的产能。工件台的运动速度、精度和稳定性直接影响光刻机的分辨率、套刻精度和产出。ASML 率先应用双硅片台技术。传统的光刻机工件台系统仅包含一个掩模台和一个硅片台，硅片的上片、形貌测量、扫描曝光、下片等工序依次完成。

为了提高光刻机的产率，ASML于 2001 年首次提出了双硅片台技术，并将其成功应用于 TWINSCAN 系列光刻机中。双硅片台技术将硅片的上述工序分离成两个并行处理的部分，一个硅片台在测量位进行硅片的上下片、形貌测量等准备工作，同时另一硅片台在曝光位进行硅片的扫描曝光，待完成后两硅片台交换位置与职能，如此循环地实现硅片的高效曝光。

双工台工作原理：测量台负责晶圆（硅片）的预对准、形貌扫描、温度补偿、对准标记检测等准备工作。曝光台在测量台完成准备后，立即进行高精度图形曝光，避免传统单工作台的“等待时间”。两工作台通过精密机械和控制系统实现无缝切换，形成“测量-曝光-测量”的流水式作业。

光刻机工件台是承载硅片完成光刻过程中一系列超精密动作的运动系统，由吸盘模块、驱动模块、导向模块、位置测量模块和运动控制模块组成。

1）吸盘模块的作用是固定晶圆，确保其在光刻过程中保持稳定，避免因振动或位移导致图形曝光偏差。内部的集成温控系统，维持晶圆在光刻所需的恒温环境，减少热变形影响。同时吸盘表面经过抛光或涂层处理，提高平整度和洁净度，防止颗粒污染。

2）驱动模块提供工件台运动的动力，实现晶圆在多维度的精密移动与定位。主要有三种驱动类型：直线电机驱动采用无铁芯或有铁芯直线电机，直接驱动工作台，避免机械传动链的间隙和磨损问题，定位精度可达纳米级。气浮导轨驱动通过压缩空气在导轨与工作台间形成气膜，实现无摩擦运动，减少振动和热变形，常与直线电机结合，用于超精密定位。压电陶瓷驱动利用逆压电效应实现亚纳米级微位移，响应速度快，用于补偿动态误差或微调定位。

3）导向模块约束工件台的运动轨迹，确保其沿预定方向（如直线或旋转轴）高精度运动，抑制偏摆、俯仰等非期望运动。

4）位置测量模块实时监测工件台的位置、速度和姿态，为闭环控制提供反馈数据。测量数据通过高速采集卡传输至运动控制模块，形成闭环控制回路，实现实时误差补偿。

5）运动控制模块根据光刻工艺需求，协调各模块工作，生成运动轨迹指令，并通过闭环控制实现高精度定位与动态跟踪。与光刻机的曝光系统、对准系统实时联动，确保晶圆位置与曝光图形严格同步。双工件台技术虽然提高了光刻机的产率，同时也带来了诸多技术挑战：

对准精度高：芯片制造中图形的曝光需多层叠加，掩膜曝光的图形必须和前一层掩膜曝光准确套叠在一起，叠加的误差即为套刻精度，要求为 2nm 以下。硅片上对准标记的数目越多，对准精度越低。

运动速度快：当前 ASML 最先进的 DUV 光刻机产率高达 300wph，0.1 秒完成 1 个影像单元的曝光成像，这要求晶圆平台以高达 7g 的加速度高速移动。

运作稳定：双工件台频繁的位置互换，对加减速防震、精确定位及减少磨损等要求极高，同时需保持长时间的高速运作。随着工件台的尺寸及推重比不断增大，其动力学特性愈来愈复杂，导致建模误差较大。工件台需要在高加速、高速的情况下实现纳米级轨迹跟踪精度及毫秒级建立时间。

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