芯片制造的“刻刀”：详解光刻机波长分类与 Stepper/Scanner 区别

在半导体制造的数百道工序中，光刻 (Photolithography) 是最关键、最昂贵、耗时最长的一步。它决定了芯片上晶体管的最小尺寸，也就是我们常说的“制程节点”（如 28nm, 5nm）。

光刻机的核心任务，就是把掩膜版（Mask）上的电路图，“画”在涂满光刻胶的硅片（Wafer）上。

今天我们就来了解下光刻机的分类和性能对比。

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01. 机械原理：Stepper vs Scanner

在早期光刻和现代光刻中，最大的区别在于“怎么曝光”。这诞生了两个专有名词：步进式 (Stepper) 和 扫描式 (Scanner)。

1. Stepper (Step-and-Repeat)

这是早期光刻机的主流方式，中文叫“分步重复光刻机”。

• 工作原理：
  想象你在盖章。光源通过掩膜版，一次性将整个芯片（Die）或几个芯片的图形曝光到硅片的一个区域（Shot）上。
  曝光结束后，工作台移动到下一个位置，停下来，再“盖”一次章。
• 特点：
  • 镜头必须足够大，覆盖整个曝光区域。
  • 容易受到镜头像差的影响（因为是一次性成像）。
  • 结构相对简单，速度较慢。

2. Scanner (Step-and-Scan)

这是现代主流光刻机（包括 DUV 和 EUV）的工作方式，中文叫“步进扫描光刻机”。

• 工作原理：
  想象复印机扫描文件。光源被限制成一条狭长的狭缝光束 (Slit)。
  曝光时，掩膜版台和**工件台（硅片）**同时反向运动。光束像扫描仪一样，“扫”过整个曝光区域。
  扫完一个区域后，工件台移动到下一个位置，再次进行扫描。
• 特点：
  • 更小的像差：只利用镜头中心成像质量最好的“狭缝”区域，通过移动来拼成完整图形。
  • 更大的视场：可以曝光出比镜头直径更大的长方形区域。
  • 控制难度极大：要求掩膜台和硅片台必须以 4:1 (通常缩小倍率) 的速度精确同步，同步误差要控制在纳米级。

总结：现在的先进光刻机（如 ASML 的 NXT 和 NXE 系列）全是 Scanner。只有在封装 (Packaging) 或 MEMS 等对精度要求不高的领域，还会看到 Stepper 的身影。

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02. 波长分类：从 UV 到 EUV 的进击

根据瑞利判据 $CD = k_1 \frac{\lambda}{NA}$，要缩小芯片尺寸（CD），最直接的方法就是减小光源波长 ($\lambda$)。

光刻机的发展史，就是一部波长缩短史。

第一阶段：汞灯时代 (g-line, i-line)

早期的光刻机使用高压汞灯作为光源。

• g-line (436nm)：
  • 对应制程：微米级（0.8µm 以上）。
  • 现状：基本淘汰，仅用于极低端或特殊器件。
• i-line (365nm)：
  • 对应制程：350nm (0.35µm) - 130nm。
  • 现状：依然活跃！用于电源管理芯片 (PMIC)、传感器、MEMS、以及先进芯片的非关键层（如大焊盘）。
  • 代表机型：
    • ASML: PAS 5500/100, XT:400
    • Canon: FPA-3000 系列
    • Nikon: NSR-2205 系列

第二阶段：准分子激光时代 (DUV)

为了突破 200nm 以下，行业引入了深紫外 (Deep UV) 准分子激光器。

1. KrF (248nm) - 氟化氪激光

• 对应制程：180nm - 130nm（主力），部分用于 90nm。
• 应用：3D NAND 的堆叠层、成熟制程逻辑芯片。
• 代表机型：
  • ASML: PAS 5500/700, XT:860
  • Nikon: NSR-S203, NSR-S206

2. ArF Dry (193nm) - 氟化氩（干式）

• 对应制程：90nm - 65nm。
• 原理：光源波长缩短到 193nm，镜头和硅片之间是空气。
• 代表机型：
  • ASML: TWINSCAN XT:1460, XT:1700
  • Nikon: NSR-S308

3. ArF Immersion (193i) - 浸没式光刻

这是半导体历史上的一次“续命”神技。

• 对应制程：45nm - 7nm (结合多重曝光)。
• 原理：在镜头和硅片之间充满超纯水。水的折射率 ($n \approx 1.44$) 比空气大，使得等效数值孔径 (NA) 可以突破 1.0（最高达 1.35），从而大幅提升分辨率。
• 地位：它是目前应用最广、出货量最大的中高端光刻机，是 28nm、14nm 甚至 7nm DUV 工艺的核心。
• 代表机型：
  • ASML: TWINSCAN NXT:1980Di (一代神机), NXT:2000i, NXT:2050i
  • Nikon: NSR-S635E

第三阶段：极紫外时代 (EUV)

为了突破 7nm 以下的物理极限，人类进入了极紫外光时代。

• EUV (13.5nm)：
  • 对应制程：7nm, 5nm, 3nm, 2nm 及以下。
  • 原理剧变：
    1. 光源：不再是激光器，而是用大功率 CO2 激光轰击锡 (Sn) 液滴产生等离子体，发出 13.5nm 的光。
    2. 光路：所有材料对 EUV 都有强吸收，因此不能用透镜（折射），必须全部使用多层膜反射镜。
    3. 环境：全真空运行。
  • 代表机型：
    • ASML (独家垄断):
      • NXE:3400B/C (早期 7nm/5nm 量产)
      • NXE:3600D (当前 5nm/3nm 主力)
      • NXE:3800E (更高吞吐量)

第四阶段：High-NA EUV (未来已来)

• EUV High-NA (0.55 NA)：
  • 将数值孔径从 0.33 提升到 0.55，用于 2nm 以下及 Angstrom (埃米) 级制程。
  • 机型：ASML EXE:5000, EXE:5200。这台机器的大小相当于一辆双层巴士。

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03. 两个关键概念：放大倍率与 Shot尺寸

在看参数表之前，必须理解两个核心概念，它们定义了芯片制造的“画幅”。

1. 放大倍率 (Magnification / Reduction Ratio)

虽然叫“放大倍率”，但在光刻机中通常是缩小。

• 5:1 (5x Reduction)：

  • 历史地位：这是 Stepper 时代（g-line, i-line, 早期 KrF） 的黄金标准。
  • 优势：掩膜版上的图案比晶圆上大 5 倍。这意味着掩膜版制造相对容易，即使上面有微小的灰尘或瑕疵，缩小 5 倍后可能就“消失”了，不会印在芯片上。
  • 局限：受限于掩膜版（Reticle）的物理尺寸（通常是 6 英寸）。如果保持 5x 缩小，想要印出更大的芯片，就需要巨大的掩膜版，这在工程上不划算。

• 4:1 (4x Reduction)：

  • 历史地位：Scanner 时代（现代 DUV, EUV） 的绝对标准。
  • 为什么从 5x 变为 4x？ 为了扩大曝光场（Shot Size）。
    • 业界标准的 6 英寸掩膜版，其有效图形区域约为 104mm x 132mm。
    • 如果用 4x 缩小，晶圆上的最大曝光区域就是 $104/4 = 26mm$， $132/4 = 33mm$。
    • 这就是 26mm x 33mm 标准曝光场的由来！ 如果坚持用 5x，同样的掩膜版只能印出 20.8mm x 26.4mm 的区域，这对于现代大芯片来说太小了。

• High-NA EUV 的特例：最新的 High-NA EUV (EXE:5000) 采用了变形镜头，X 方向是 4x，Y 方向是 8x。

2. 曝光场 (Exposure Field / Shot)

机器一次曝光（Stepper）或一次扫描（Scanner）所能覆盖的最大矩形区域，我们称之为 One Shot。

• Scanner 标准：26mm x 33mm（由 4x 倍率和 6 英寸掩膜版共同决定）。
  • 这意味着无论你的芯片多大，都不能超过这个框。如果芯片特别大（比如 NVIDIA 的顶级 GPU），可能一颗芯片就占满了一个 Shot。
• Stepper 标准：通常较小且为正方形，如 22mm x 22mm (5x 倍率下)。

04. 汇总表：参数与典型机型

这张表涵盖了从老式到最尖端的主流机型，包含 ASML，Nikon 和 Canon 的对应产品。

光源类型	波长	机械原理	放大倍率	标准 Shot 尺寸	典型制程	ASML 代表机型	Nikon 代表机型	Canon 代表机型
i-line	365nm	Stepper	5:1	22x22 mm	350nm+	PAS 5500/100 XT:400	NSR-2205 i12 NSR-2005 i9	FPA-3000 i5 FPA-5510 iZ
KrF	248nm	Stepper	5:1	22x22 mm	250nm	PAS 5500/300	NSR-2205 EX12B	FPA-3000 EX4
KrF	248nm	Scanner	4:1	26x33 mm	180-130nm	PAS 5500/700 XT:860	NSR-S203 B NSR-S220	FPA-6300 ES6a FPA-5000 ES4
ArF Dry	193nm	Scanner	4:1	26x33 mm	90-65nm	XT:1460 XT:1700	NSR-S322 F NSR-S308 F	FPA-6000 AS4
ArF Immersion	193nm	Scanner	4:1	26x33 mm	45-7nm	NXT:1980Di NXT:2050i	NSR-S635 E NSR-S622 D	(退出高端逻辑)
EUV	13.5nm	Scanner	4:1	26x33 mm	7nm-3nm	NXE:3400 C NXE:3600 D	(无)	(无)
High-NA EUV	13.5nm	Scanner	X:4 / Y:8	26x16.5 mm	< 2nm	EXE:5000 EXE:5200	(无)	(无)

💡 市场格局解读

• Stepper vs Scanner: 可以看到，在 KrF 时代发生了一次重要的技术分水岭。早期的 KrF 机器（如 Nikon NSR-2205）依然沿用 5:1 的 Stepper 架构，但为了追求更大的曝光场和更高的精度，后期全部转向了 4:1 的 Scanner 架构。
• ASML: 全球霸主。垄断 EUV，主导高端 Immersion (NXT 系列)。
• Nikon: 曾经的王者。在 Immersion 领域（S600 系列）仍有一席之地，主要由于英特尔的历史合作关系，但在台积电等代工厂份额较少。
• Canon: 避其锋芒。退出了高端逻辑芯片光刻（ArF Immersion 和 EUV），专注于低成本、高可靠性的 i-line 和 KrF 市场（FPA 系列），以及纳米压印 (NIL) 技术的研发。

光刻机的发展，本质上是人类挑战物理极限的过程。从 436nm 到 13.5nm，每一次波长的缩短，都意味着数千亿美元的研发投入和无数工程师的日夜兼程。

附录：全球主流光刻机参数全鉴 (ASML / Nikon / Canon)

本附录收录了从 i-line 到 High-NA EUV 的主流光刻机型。
(注：NA = 数值孔径; Mag. = 放大倍率/缩小比; Shot = 最大曝光场尺寸)

1. High-NA EUV & EUV (极紫外, 13.5nm)

人类光刻技术的巅峰，全反射光学系统，真空环境。

厂商	系列/型号	机械原理	Mag. (倍率)	Shot 尺寸 (mm)	典型 NA	典型制程	备注
ASML	EXE:5200 / 5000	Scanner	4x / 8x	26 x 16.5	0.55	< 2nm	High-NA，采用变形镜头(Anamorphic)，Y轴放大8倍导致Shot减半
ASML	NXE:3800E	Scanner	4x	26 x 33	0.33	3nm / 2nm	目前吞吐量最高的 EUV 机型 (195-220 wph)
ASML	NXE:3600D	Scanner	4x	26 x 33	0.33	5nm / 3nm	当前量产主力
ASML	NXE:3400B / C	Scanner	4x	26 x 33	0.33	7nm / 5nm	早期量产机型
ASML	NXE:3300 / 3100	Scanner	4x	26 x 33	0.25 / 0.33	研发	早期研发验证机，已很少用于量产

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2. ArF Immersion (浸没式, 193nm)

利用超纯水 ($n \approx 1.44$) 作为介质，NA > 1.0，DUV 技术的顶峰。

厂商	系列/型号	机械原理	Mag.	Shot 尺寸	典型 NA	典型制程	备注
ASML	NXT:2100i / 2050i	Scanner	4x	26 x 33	1.35	7nm / 5nm	极高套刻精度 (OV < 1.5nm)，搭配 EUV 使用
ASML	NXT:1980Di / Ei	Scanner	4x	26 x 33	1.35	14nm - 7nm	全球出货量最大的浸没式光刻机
ASML	XT:1900i / 1950i	Scanner	4x	26 x 33	1.35	45nm - 28nm	早期双工件台浸没式
ASML	XT:1700i	Scanner	4x	26 x 33	1.20	45nm	第一代量产型浸没式
Nikon	NSR-S635E	Scanner	4x	26 x 33	1.35	5nm Node	Nikon 最强机型，拥有 275 wph 超高产能
Nikon	NSR-S622D / S620D	Scanner	4x	26 x 33	1.35	7nm / 10nm	Streamlign 平台
Canon	FPA-7000AS7	Scanner	4x	26 x 33	1.35	45nm	Canon 唯一的浸没式尝试，市场极罕见

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3. ArF Dry (干式, 193nm)

空气介质，Scanner 的黄金时代。

厂商	系列/型号	机械原理	Mag.	Shot 尺寸	典型 NA	典型制程	备注
ASML	XT:1460K	Scanner	4x	26 x 33	0.93	65nm / 45nm	干式光刻之王，物理极限 NA，用于次关键层
ASML	XT:1450 / 1250	Scanner	4x	26 x 33	0.85 - 0.93	90nm / 65nm	-
ASML	PAS 5500/1100	Scanner	4x	26 x 33	0.75	90nm	早期 ArF 扫描机
Nikon	NSR-S322F	Scanner	4x	26 x 33	0.92	65nm	Nikon 干式最强机型，SF (Scan Field) 系列
Nikon	NSR-S308F	Scanner	4x	26 x 33	0.92	90nm	-
Canon	FPA-6000AS4	Scanner	4x	26 x 33	0.85	90nm	Canon 的 ArF 主力

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4. KrF (深紫外, 248nm)

技术分水岭：从 Stepper 向 Scanner 转型的时代。目前主要用于 3D NAND 堆叠。

厂商	系列/型号	机械原理	Mag.	Shot 尺寸	典型 NA	典型制程	备注
ASML	NXT:870	Scanner	4x	26 x 33	0.80	3D NAND	最新款，用 NXT 平台跑 KrF 光源，产能怪兽
ASML	XT:860M / N	Scanner	4x	26 x 33	0.80	130nm	经典的 KrF Scanner
ASML	PAS 5500/700	Scanner	4x	26 x 33	0.70	180nm	PAS 平台扫描机
ASML	PAS 5500/300	Stepper	5x	22 x 22	0.60	250nm	经典 Stepper，5倍缩小
Nikon	NSR-S220D	Scanner	4x	26 x 33	0.82	130nm	-
Nikon	NSR-2205 EX12B	Stepper	5x	22 x 22	0.60	250nm	著名的 “EX” 系列 Stepper
Canon	FPA-6300ES6a	Scanner	4x	26 x 33	0.86	130nm	Canon 当前的 KrF 主力机型
Canon	FPA-3000EX6	Stepper	5x	22 x 22	0.60	250nm	-

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5. i-line (紫外, 365nm)

主要用于 MEMS、IoT、功率器件和先进封装。

厂商	系列/型号	机械原理	Mag.	Shot 尺寸	典型 NA	典型制程	备注
ASML	XT:400	Scanner	4x	26 x 33	0.65	350nm	少见的 i-line 扫描机，用于大尺寸晶圆
ASML	PAS 5500/100	Stepper	5x	22 x 22	0.48 - 0.60	>350nm	经典的 8 英寸厂主力
Nikon	NSR-SF155	Stepper	1:4 / 1:5	26 x 33	0.62	封装/MEMS	“Wide Field” 系列，专为非先进制程优化
Nikon	NSR-2205 i14E	Stepper	5x	22 x 22	0.63	350nm	-
Canon	FPA-5550iZ	Stepper	5x	22 x 22	0.57	350nm	极高稳定性的 i-line Stepper
Canon	FPA-3000i5	Stepper	5x	22 x 22	0.63	350nm	历史保有量巨大

数据规律总结

1. 放大倍率 (Mag.)：
   • Stepper 时代：绝大多数为 5x。
   • Scanner 时代：统一为 4x（为了适配 26x33mm 曝光场）。
   • High-NA 时代：引入了 Anamorphic (4x/8x) 变形光学。
2. Shot 尺寸：
   • 22 x 22 mm：Stepper 的经典正方形视场。
   • 26 x 33 mm：Scanner 的经典矩形视场，是目前 EDA 设计软件和掩膜版厂的默认标准。
3. NA (数值孔径)：
   • 干式极限：0.93 (XT:1460K)。
   • 湿式极限：1.35 (NXT:2050i / S635E)。
   • EUV 起步：0.33 -> 0.55 (High-NA)。