漫话光刻机与光刻技术（1）

漫话光刻机与光刻技术（1）

胡经国



一、

光刻机（Mask Aligner，掩模对准器），又名叫做掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等。常用的光刻机是掩模对准光刻机，所以又叫做Mask Alignment System（掩模对准系统）。

一般光刻工艺的工序是：硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等。

Photolithography（光刻，或光刻法）是指用光来制作一个图形的工艺；是在硅片表面匀胶，然后将“掩模版”上的图形转移到“光刻胶”上的过程，以及将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。

光刻机是生产大规模集成电路的核心设备。其制造和维护需要高度的光学和电子工业基础；世界上只有少数厂家具备这种条件。因此，光刻机价格十分昂贵，通常在3 千万至5 亿美元之间。

（下图图示：光刻机；图源：网罗）





二、

生产集成电路的简要步骤为：

利用紫外线通过模版去除晶圆表面的保护膜；

将晶圆浸泡在腐化剂中，在失去保护膜的部分被腐蚀掉以后形成电路；

用纯水洗净残留在晶圆表面的杂质。

其中，曝光机就是利用“紫外线”通过“模版”去除“晶圆表面的保护膜”的设备。

一片晶圆可以制作数十个集成电路。根据模版大小和是否移动，曝光机分为两种：

模版和晶圆大小一样，模版不动。

模版和集成电路大小一样，模版随曝光机聚焦部分移动。

其中，模版随曝光机移动的方式是：模版相对曝光机中心位置不变，始终利用聚焦镜头中心部分能得到更高的精度。

三、光刻机主要性能指标

光刻机的主要性能指标有：支持基片的尺寸范围、分辨率、对准精度、曝光方式、光源波长、光强均匀性、生产效率等。

1、分辨率

分辨率是对光刻工艺加工可以达到的“最细线条精度”的一种描述方式。由于光刻的分辨率受到光源衍射的限制，因而受到光源、光刻系统、光刻胶和工艺等各方面的限制。

2、对准精度

对准精度是在多层曝光时“层间图案的定位精度”。

3、曝光方式

曝光方式分为接触接近式、投影式和直写式。

4、光源与曝光光源波长

曝光光源波长分为：紫外、深紫外和极紫外区域；光源有汞灯，准分子激光器等。

四、光刻机分类

1、按操作简便性分类

一般按操作简便性，光刻机分为手动、半自动、全自动3种。

⑴、手动

手动是指“对准”的调节方式，是通过手调旋钮改变它的X轴、Y轴和thita角度来完成“对准”；其“对准精度”可想而知不高。

⑵、半自动

半自动是指“对准”可以通过电动轴，根据CCD的进行定位调谐。



链接：CCD

CCD的中文全称为电荷耦合元件，可以称为CCD图像传感器，也叫做图像控制器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为电信号。



⑶、自动

自动是指从基板的上载、下载，曝光时长和循环，都是通过程序控制。自动光刻机主要是满足工厂对于批处理量的需要。

2、按曝光方式分类

按曝光方式，光刻机分为接触式曝光、接近式曝光、投影式曝光、高精度双面、高精度单面5种。

⑴、接触式曝光

接触式曝光（Contact Printing）：“掩膜板”直接与“光刻胶层”接触。“曝光出来的图形”与“掩膜板上的图形”分辨率相当；设备简单。

①、接触式曝光分类

接触式曝光，按施加力量的方式不同，又分为：软接触，硬接触和真空接触3种。

①-1、软接触

软接触是把“基片”通过“托盘”吸附住（类似于匀胶机的基片放置方式），“掩膜”盖在“基片”上面。

②-2、硬接触

硬接触是将“基片”通过一个气压（氮气）往上顶，使之与“掩膜”接触。

③-3、真空接触

真空接触是在“掩膜”和“基片”中间抽气，使之更好地贴合（想一想把被子抽真空放置的方式）。

软＜硬＜真空：接触的越紧密，分辨率越高。当然接触的越紧密，掩膜和材料的损伤就越大。

②、接触式曝光的缺点

光刻胶污染“掩膜板”；掩膜板的磨损，容易损坏，寿命很低（只能使用5～25次）；容易累积缺陷。

20世纪70年代的工业水准，已经逐渐被“接近式曝光方式”所淘汰了。中国国产光刻机均为“接触式曝光”；国产光刻机的开发机构无法提供工艺要求更高的“非接触式曝光”的产品化。

⑵、接近式曝光

接近式曝光（Proximity Printing）：“掩膜板”与“光刻胶基底层”保留一个微小的缝隙（Gap），Gap大约为0～200μm。可以有效避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤，使掩膜和光刻胶基底能耐久使用，掩模寿命长（可提高10 倍以上）；图形缺陷少。接近式曝光在现代光刻工艺中应用最为广泛。

⑶、投影式曝光

投影式曝光（Projection Printing）：在“掩膜板”与“光刻胶”之间使用“光学系统聚集光”实现曝光。一般“掩膜板的尺寸”，按需要转移图形的4倍制作。其优点是提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。

投影式曝光进一步分类如下：

①、扫描投影曝光

扫描投影曝光（Scanning Project Printing）：20世纪70年代末至80年代初期；大于1μm工艺；掩膜板1∶1，全尺寸。

②、步进重复投影曝光

步进重复投影曝光（Stepping-repeating Project Printing，或称为Stepper（步进机）：20世纪80年代末~90年代；0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）；掩膜板缩小比例（4∶1）；曝光区域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能覆盖的区域）；增加了“棱镜系统”的制作难度。

③、扫描步进投影曝光

扫描步进投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）：20世纪90年代末至今；用于≤0.18μm工艺；采用6英寸的掩膜板按照4∶1的比例曝光；曝光区域（Exposure Field）26×33mm。其优点是：增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。但是，同时由于需要反向运动，因而增加了机械系统的精度要求。

⑷、高精度双面

高精度双面：主要用于中小规模集成电路、半导体元器件、光电子器件、声表面波器件、薄膜电路、电力电子器件的研制和生产。

由高精度特制的翻版机构、双视场CCD显微显示系统、多点光源曝光头、真空管路系统、气路系统、直联式无油真空泵、防震工作台等组成。

适用于φ100mm以下，厚度5mm以下的各种基片的对准曝光。

⑸、高精度单面

高精度单面：针对各大专院校、企业及科研单位，对光刻机使用特性研发的一种高精度光刻机，用于中小规模集成电路、半导体元器件、光电子器件、声表面波器件的研制和生产。

3、超分辨光刻机

2018年11月29日，中国国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”通过验收。该光刻机由中国科学院光电技术研究所研制；其光刻分辨力达到22纳米；结合双重曝光技术以后，未来还可用于制造10纳米级别的芯片。

（未完待续）









4