[科普中國(guó)]-光刻機(jī)

光刻機(jī)（Mask Aligner) 又名：掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)，曝光系統(tǒng)，光刻系統(tǒng)等。常用的光刻機(jī)是掩膜對(duì)準(zhǔn)光刻，所以叫 Mask Alignment System.

一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。

Photolithography（光刻） 意思是用光來制作一個(gè)圖形（工藝）；

在硅片表面勻膠，然后將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移光刻膠上的過程將器件或電路結(jié)構(gòu)臨時(shí)“復(fù)制”到硅片上的過程。

概要生產(chǎn)集成電路的簡(jiǎn)要步驟：

利用模版去除晶圓表面的保護(hù)膜。

將晶圓浸泡在腐化劑中，失去保護(hù)膜的部分被腐蝕掉后形成電路。

用純水洗凈殘留在晶圓表面的雜質(zhì)。

其中曝光機(jī)就是利用紫外線通過模版去除晶圓表面的保護(hù)膜的設(shè)備。

一片晶圓可以制作數(shù)十個(gè)集成電路，根據(jù)模版曝光機(jī)分為兩種：

模版和晶圓大小一樣，模版不動(dòng)。

模版和集成電路大小一樣，模版隨曝光機(jī)聚焦部分移動(dòng)。

其中模版隨曝光機(jī)移動(dòng)的方式，模版相對(duì)曝光機(jī)中心位置不變，始終利用聚焦鏡頭中心部分能得到更高的精度。成為的主流1。

主要廠商曝光機(jī)是生產(chǎn)大規(guī)模集成電路的核心設(shè)備，制造和維護(hù)需要高度的光學(xué)和電子工業(yè)基礎(chǔ)，世界上只有少數(shù)廠家掌握。因此曝光機(jī)價(jià)格昂貴，通常在 3 千萬至 5 億美元。

ASML

尼康

佳能

歐泰克

上海微電子裝備

SUSS

ABM, Inc.

品牌光刻機(jī)的品牌眾多，根據(jù)采用不同技術(shù)路線的可以歸納成如下幾類：

高端的投影式光刻機(jī)可分為步進(jìn)投影和掃描投影光刻機(jī)兩種，分辨率通常在十幾納米至幾微米之間，高端光刻機(jī)號(hào)稱世界上最精密的儀器，世界上已有7000萬美金的光刻機(jī)。高端光刻機(jī)堪稱現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花，其制造難度之大，全世界只有少數(shù)幾家公司能夠制造。國(guó)外品牌主要以荷蘭ASML（鏡頭來自德國(guó)），日本Nikon（intel曾經(jīng)購(gòu)買過Nikon的高端光刻機(jī)）和日本Canon三大品牌為主。

位于我國(guó)上海的SMEE已研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的投影式中端光刻機(jī)，形成產(chǎn)品系列初步實(shí)現(xiàn)海內(nèi)外銷售。正在進(jìn)行其他各系列產(chǎn)品的研發(fā)制作工作。

生產(chǎn)線和研發(fā)用的低端光刻機(jī)為接近、接觸式光刻機(jī)，分辨率通常在數(shù)微米以上。主要有德國(guó)SUSS、美國(guó)MYCRO NXQ4006、以及中國(guó)品牌。

分類光刻機(jī)一般根據(jù)操作的簡(jiǎn)便性分為三種，手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)

A 手動(dòng)：指的是對(duì)準(zhǔn)的調(diào)節(jié)方式，是通過手調(diào)旋鈕改變它的X軸，Y軸和thita角度來完成對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)精度可想而知不高了；

B 半自動(dòng)：指的是對(duì)準(zhǔn)可以通過電動(dòng)軸根據(jù)CCD的進(jìn)行定位調(diào)諧；

C 自動(dòng)： 指的是 從基板的上載下載，曝光時(shí)長(zhǎng)和循環(huán)都是通過程序控制，自動(dòng)光刻機(jī)主要是滿足工廠對(duì)于處理量的需要。

紫外光源曝光系統(tǒng)最核心的部件之一是紫外光源。

常見光源分為:

可見光：g線：436nm

紫外光（UV），i線：365nm

深紫外光（DUV）,KrF 準(zhǔn)分子激光：248 nm, ArF 準(zhǔn)分子激光：193 nm

極紫外光（EUV），10 ~ 15 nm

對(duì)光源系統(tǒng)的要求

a.有適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)。波長(zhǎng)越短，可曝光的特征尺寸就越??；[波長(zhǎng)越短，就表示光刻的刀鋒越鋒利，刻蝕對(duì)于精度控制要求越高。]

b.有足夠的能量。能量越大，曝光時(shí)間就越短；

c.曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。[一般采用光的均勻度 或者叫 不均勻度 光的平行度等概念來衡量光是否均勻分布]

常用的紫外光光源是高壓弧光燈（高壓汞燈），高壓汞燈有許多尖銳的光譜線，經(jīng)過濾光后使用其中的g 線（436 nm）或i 線（365 nm）。

對(duì)于波長(zhǎng)更短的深紫外光光源，可以使用準(zhǔn)分子激光。例如KrF 準(zhǔn)分子激光（248 nm）、ArF 準(zhǔn)分子激光（193 nm）和F2準(zhǔn)分子激光（157 nm）等。

曝光系統(tǒng)的功能主要有：平滑衍射效應(yīng)、實(shí)現(xiàn)均勻照明、濾光和冷光處理、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)光照明和光強(qiáng)調(diào)節(jié)等。

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)制造高精度的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)需要具有近乎完美的精密機(jī)械工藝，這也是國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)望塵莫及的技術(shù)難點(diǎn)之一，許多美國(guó)德國(guó)品牌光刻機(jī)具有特殊專利的機(jī)械工藝設(shè)計(jì)。例如Mycro N&Q光刻機(jī)采用的全氣動(dòng)軸承設(shè)計(jì)專利技術(shù)，有效避免軸承機(jī)械摩擦所帶來的工藝誤差。

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)另外一個(gè)技術(shù)難題就是對(duì)準(zhǔn)顯微鏡。為了增強(qiáng)顯微鏡的視場(chǎng)，許多高端的光刻機(jī)，采用了LED照明。

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)共有兩套，具備調(diào)焦功能。主要就是由雙目雙視場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)顯微鏡主體、目鏡和物鏡各1對(duì)（光刻機(jī)通常會(huì)提供不同放大倍率的目鏡和物鏡供用戶組合使用）。

CCD對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)作用是將掩模和樣片的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記放大并成像于監(jiān)視器上。

工件臺(tái)顧名思義就是放工件的平臺(tái)，光刻工藝最主要的工件就是掩模和基片。

工件臺(tái)為光刻機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵，由掩模樣片整體運(yùn)動(dòng)臺(tái)（XY）、掩模樣片相對(duì)運(yùn)動(dòng)臺(tái)（XY）、轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)、樣片調(diào)平機(jī)構(gòu)、樣片調(diào)焦機(jī)構(gòu)、承片臺(tái)、掩模夾、抽拉掩模臺(tái)組成。

其中，樣片調(diào)平機(jī)構(gòu)包括球座和半球。調(diào)平過程中首先對(duì)球座和半球通上壓力空氣，再通過調(diào)焦手輪，使球座、半球、樣片向上運(yùn)動(dòng)，使樣片與掩模相靠而找平樣片，然后對(duì)二位三通電磁閥將球座和半球切換為真空進(jìn)行鎖緊而保持調(diào)平狀態(tài)。

樣片調(diào)焦機(jī)構(gòu)由調(diào)焦手輪、杠桿機(jī)構(gòu)和上升直線導(dǎo)軌等組成，調(diào)平上升過程初步調(diào)焦，調(diào)平完成鎖緊球氣浮后，樣片和掩模之間會(huì)產(chǎn)生一定的間隙，因此必須進(jìn)行微調(diào)焦。另一方面，調(diào)平完成進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，必須分離一定的對(duì)準(zhǔn)間隙，也需要進(jìn)行微調(diào)焦。

抽拉掩模臺(tái)主要用于快速上下片，由燕尾導(dǎo)軌、定位擋塊和鎖緊手輪組成。

承片臺(tái)和掩模夾是根據(jù)不同的樣片和掩模尺寸而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

性能指標(biāo)光刻機(jī)的主要性能指標(biāo)有：支持基片的尺寸范圍，分辨率、對(duì)準(zhǔn)精度、曝光方式、光源波長(zhǎng)、光強(qiáng)均勻性、生產(chǎn)效率等。

分辨率是對(duì)光刻工藝加工可以達(dá)到的最細(xì)線條精度的一種描述方式。光刻的分辨率受受光源衍射的限制,所以與光源、光刻系統(tǒng)、光刻膠和工藝等各方面的限制。

對(duì)準(zhǔn)精度是在多層曝光時(shí)層間圖案的定位精度。

曝光方式分為接觸接近式、投影式和直寫式。

曝光光源波長(zhǎng)分為紫外、深紫外和極紫外區(qū)域，光源有汞燈，準(zhǔn)分子激光器等。

光刻機(jī)種類**a.接觸式曝光（Contact Printing）：**掩膜板直接與光刻膠層接觸。曝光出來的圖形與掩膜板上的圖形分辨率相當(dāng)，設(shè)備簡(jiǎn)單。接觸式，根據(jù)施加力量的方式不同又分為：軟接觸，硬接觸和真空接觸。

1.軟接觸 就是把基片通過托盤吸附?。愃朴趧蚰z機(jī)的基片放置方式），掩膜蓋在基片上面；

2.硬接觸 是將基片通過一個(gè)氣壓（氮?dú)猓?，往上頂，使之與掩膜接觸；

3.真空接觸 是在掩膜和基片中間抽氣，使之更加好的貼合（想一想把被子抽真空放置的方式）

軟