[科普中國]-紫外曝光機

紫外曝光機，也稱光刻機、掩模對準曝光機、曝光系統(tǒng)、光刻系統(tǒng)等，是印刷線路板（PCB）制作工藝中的重要設(shè)備。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、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。其主要性能指標有：支持基片的尺寸范圍，分辨率、對準精度、曝光方式、光源波長、光強均勻性、生產(chǎn)效率等。

背景在集成電路集成度不斷提高的過程中，集成電路制造技術(shù)起著不可替代的作用。集成電路制造流程繁多、工藝復(fù)雜，其中一道工藝是將設(shè)計好電路版圖轉(zhuǎn)移到硅片上形成集成電路。這一工藝就是光刻技術(shù)，使用的主要設(shè)備是光刻機。光刻機的分辨率和套刻精度直接決定了所制造的集成電路的集成度。而且光刻機的研制涉及光學(xué)、機械、精密測量、控制等技術(shù)，所以是整個集成電路制造中最復(fù)雜和精度最高的設(shè)備之一，也是最關(guān)鍵的設(shè)備之一。此外，光刻機還有一個經(jīng)濟指標——產(chǎn)率，圍繞著這三項指標，光刻機的研制技術(shù)不斷進步，推動著集成電路制造技術(shù)的向前發(fā)展。比如荷蘭ASML公司把TWINSCAN XT:1950Hi 升級到TWINSCAN XT:1950i，套刻精度和產(chǎn)率分別提高了約37.5%和18.2%。

目前，光刻機的主要研制廠商有荷蘭的ASML公司和日本的尼康、佳能，它們幾乎壟斷了全球的光刻機市場。我國是集成電路的消費大國，也是生產(chǎn)大國，但生產(chǎn)的主要是低端集成電路。近年來，也引進了一些國外的集成電路制造商，比如中芯國際、臺積電、宏力半導(dǎo)體等，但仍然無法得到光刻機的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。為推動我國集成電路產(chǎn)業(yè)的跨越發(fā)展，也為推進我國工業(yè)化和信息化進程，國家在2006年發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》中將“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”明確為重大專項。通過這一專項的實施，已經(jīng)取得了一些成果1。

系統(tǒng)組成及其工作原理傳統(tǒng)曝光機光學(xué)系統(tǒng)主要由光源（高壓球形汞燈）、橢球面反光杯、冷光鏡、透射式復(fù)眼透鏡陣列、二向色鏡和球面平行光反射鏡組成。

光源發(fā)出的光被橢球面反光杯聚焦后，經(jīng)冷光鏡反射到復(fù)眼透鏡陣列場鏡，從投影鏡出射的光到達二向色鏡，光譜中的紫外部分被50%透射，50%反射后，到達兩塊對稱分布的大面積球面平行反光鏡，被準直反射到曬板上對PCB板進行曝光2。

性能指標光刻機的主要性能指標有：支持基片的尺寸范圍，分辨率、對準精度、曝光方式、光源波長、光強均勻性、生產(chǎn)效率等。

其中，分辨率是對光刻工藝加工可以達到的最細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。對準精度是在多層曝光時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。曝光光源波長分為紫外、深紫外和極紫外區(qū)域，光源有汞燈，準分子激光器等。

分類接觸式曝光接觸式曝光指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，設(shè)備簡單。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。接觸的越緊密，分辨率越高，當然接觸的越緊密，掩膜和材料的損傷就越大。

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

（2）硬接觸：將基片通過一個氣壓（氮氣），往上頂，使之與掩膜接觸；

（3）真空接觸：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）

其缺點為：光刻膠污染掩膜板；掩膜板的磨損，容易損壞，壽命很低（只能使用5～25次）；容易累積缺陷；上個世紀七十年代的工業(yè)水準，已經(jīng)逐漸被接近式曝光方式所淘汰了，國產(chǎn)光刻機均為接觸式曝光，國產(chǎn)光刻機的開發(fā)機構(gòu)無法提供工藝要求更高的非接觸式曝光的產(chǎn)品化。

接近式曝光接近式曝光指掩膜板與光刻膠基底層保留一個微小的縫隙（Gap），Gap大約為0～200μm?？梢杂行П苊馀c光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷，使掩膜和光刻膠基底能耐久使用；掩模壽命長（可提高10 倍以上），圖形缺陷少。接近式在現(xiàn)代光刻工藝中應(yīng)用最為廣泛。

投影式曝光投影式曝光指在掩膜板與光刻膠之間使用光學(xué)系統(tǒng)聚集光實現(xiàn)曝光。一般掩膜板的尺寸會以需要轉(zhuǎn)移圖形的4倍制作。優(yōu)點：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影響減小。

投影式曝光分為：

（1）掃描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末～80年代初，〉1μm工藝；掩膜板1：1，全尺寸。

（2）步進重復(fù)投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或稱作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。掩膜板縮小比例（4：1），曝光區(qū)域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能覆蓋的區(qū)域）。增加了棱鏡系統(tǒng)的制作難度。

（3）掃描步進投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年代末～至今，用于≤0.18μm工藝。采用6英寸的掩膜板按照4:1的比例曝光，曝光區(qū)域（Exposure Field）26×33mm。優(yōu)點：增大了每次曝光的視場；提供硅片表面不平整的補償；提高整個硅片的尺寸均勻性。但是，同時因為需要反向運動，增加了機械系統(tǒng)的精度要求。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)