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光刻機

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光刻機(lithography)又名:掩模對準曝光機,曝光系統,光刻系統等,是製造芯片的核心裝備。它採用類似照片沖印的技術,把掩膜版上的精細圖形通過光線的曝光印製到硅片上。
中文名
光刻機
外文名
lithography [3] 
別    名
掩模對準曝光機
光源波長
350 nm -450 nm

光刻機概要

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生產集成電路的簡要步驟:
  • 利用模版去除晶圓表面的保護膜。
  • 將晶圓浸泡在腐化劑中,失去保護膜的部分被腐蝕掉後形成電路。
  • 用純水洗淨殘留在晶圓表面的雜質。
其中曝光機就是利用紫外線通過模版去除晶圓表面的保護膜的設備。
一片晶圓可以製作數十個集成電路,根據模版曝光機分為兩種:
  • 模版和晶圓大小一樣,模版不動。
  • 模版和集成電路大小一樣,模版隨曝光機聚焦部分移動。
其中模版隨曝光機移動的方式,模版相對曝光機中心位置不變,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] 

光刻機主要廠商

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曝光機是生產大規模集成電路的核心設備,製造和維護需要高度的光學和電子工業基礎,世界上只有少數廠家掌握。因此曝光機價格昂貴,通常在 3 千萬至 5 億美元。

光刻機品牌

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光刻機的品牌眾多,根據採用不同技術路線的可以歸納成如下幾類:
高端的投影式光刻機可分為步進投影和掃描投影光刻機兩種,分辨率通常七納米至幾微米之間,高端光刻機號稱世界上最精密的儀器,世界上已有1.2億美金一台的光刻機。高端光刻機堪稱現代光學工業之花,其製造難度之大,全世界只有少數幾家公司能夠製造。國外品牌主要以荷蘭ASML(鏡頭來自德國),日本Nikon(intel曾經購買過Nikon的高端光刻機)和日本Canon三大品牌為主。
位於我國上海的SMEE已研製出具有自主知識產權的投影式中端光刻機,形成產品系列初步實現海內外銷售。正在進行其他各系列產品的研發製作工作。
生產線和研發用的低端光刻機為接近、接觸式光刻機,分辨率通常在數微米以上。主要有德國SUSS、美國MYCRO NXQ4006、以及中國品牌。

光刻機分類

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光刻機一般根據操作的簡便性分為三種,手動、半自動、全自動
A 手動:指的是對準的調節方式,是通過手調旋鈕改變它的X軸,Y軸和thita角度來完成對準,對準精度可想而知不高了;
B 半自動:指的是對準可以通過電動軸根據CCD的進行定位調諧;
C 自動: 指的是 從基板的上載下載,曝光時長和循環都是通過程序控制,自動光刻機主要是滿足工廠對於處理量的需要。

光刻機紫外光源

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曝光系統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 準分子激光:248 nm, ArF 準分子激光:193 nm
極紫外光(EUV),10 ~ 15 nm
對光源系統的要求
a.有適當的波長。波長越短,可曝光的特徵尺寸就越小;[波長越短,就表示光刻的刀鋒越鋒利,刻蝕對於精度控制要求越高。]
b.有足夠的能量。能量越大,曝光時間就越短;
c.曝光能量必須均勻地分佈在曝光區。[一般採用光的均勻度 或者叫 不均勻度 光的平行度等概念來衡量光是否均勻分佈]
常用的紫外光光源是高壓弧光燈(高壓汞燈),高壓汞燈有許多尖鋭的光譜線,經過濾光後使用其中的g 線(436 nm)或i 線(365 nm)。
對於波長更短的深紫外光光源,可以使用準分子激光。例如KrF 準分子激光(248 nm)、ArF 準分子激光(193 nm)和F2準分子激光(157 nm)等。
曝光系統的功能主要有:平滑衍射效應、實現均勻照明、濾光和冷光處理、實現強光照明和光強調節等。

光刻機對準系統

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製造高精度的對準系統需要具有近乎完美的精密機械工藝,這也是國產光刻機望塵莫及的技術難點之一,許多美國德國品牌光刻機具有特殊專利的機械工藝設計。例如Mycro N&Q光刻機採用的全氣動軸承設計專利技術,有效避免軸承機械摩擦所帶來的工藝誤差。
對準系統另外一個技術難題就是對準顯微鏡。為了增強顯微鏡的視場,許多高端的光刻機,採用了LED照明。
對準系統共有兩套,具備調焦功能。主要就是由雙目雙視場對準顯微鏡主體、目鏡和物鏡各1對(光刻機通常會提供不同放大倍率的目鏡和物鏡供用户組合使用)。
CCD對準系統作用是將掩模和樣片的對準標記放大併成像於監視器上。
工件台顧名思義就是放工件的平台,光刻工藝最主要的工件就是掩模和基片。
工件台為光刻機的一個關鍵,由掩模樣片整體運動台(XY)、掩模樣片相對運動台(XY)、轉動台、樣片調平機構、樣片調焦機構、承片台、掩模夾、抽拉掩模台組成。
其中,樣片調平機構包括球座和半球。調平過程中首先對球座和半球通上壓力空氣,再通過調焦手輪,使球座、半球、樣片向上運動,使樣片與掩模相靠而找平樣片,然後對二位三通電磁閥將球座和半球切換為真空進行鎖緊而保持調平狀態。
樣片調焦機構由調焦手輪、槓桿機構和上升直線導軌等組成,調平上升過程初步調焦,調平完成鎖緊球氣浮後,樣片和掩模之間會產生一定的間隙,因此必須進行微調焦。另一方面,調平完成進行對準,必須分離一定的對準間隙,也需要進行微調焦。
抽拉掩模台主要用於快速上下片,由燕尾導軌、定位擋塊和鎖緊手輪組成。
承片台和掩模夾是根據不同的樣片和掩模尺寸而進行設計的。

光刻機性能指標

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光刻機的主要性能指標有:支持基片的尺寸範圍,分辨率、對準精度、曝光方式、光源波長、光強均勻性、生產效率等。
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、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、深紫外和極紫外區域,光源有汞燈,準分子激光器等。

光刻機光刻機種類

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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,設備簡單。接觸式,根據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住(類似於勻膠機的基片放置方式),掩膜蓋在基片上面;
2.硬接觸 是將基片通過一個氣壓(氮氣),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)
缺點: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水準,已經逐漸被接近式曝光方式所淘汰了,國產光刻機均為接觸式曝光,國產光刻機的開發機構無法提供工藝要求更高的非接觸式曝光的產品化。
b.接近式曝光(Proximity Printing):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。可以有效避免與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。接近式在現代光刻工藝中應用最為廣泛。
c.投影式曝光(Projection Printing):在掩膜板與光刻膠之間使用光學系統聚集光實現曝光。一般掩膜板的尺寸會以需要轉移圖形的4倍製作。優點:提高了分辨率;掩膜板的製作更加容易;掩膜板上的缺陷影響減小。
投影式曝光分類:
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;
步進重複投影曝光(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),曝光區域(Exposure Field)22×22mm(一次曝光所能覆蓋的區域)。增加了稜鏡系統的製作難度。
掃描步進投影曝光(Scanning-Stepping Project Printing)。90年代末~至今,用於≤0.18μm工藝。採用6英寸的掩膜板按照4:1的比例曝光,曝光區域(Exposure Field)26×33mm。優點: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,增加了機械系統的精度要求。
d. 高精度雙面:主要用於中小規模集成電路、半導體元器件、光電子器件、聲表面波器件薄膜電路電力電子器件的研製和生產。
高精度特製的翻版機構、雙視場CCD顯微顯示系統、多點光源曝光頭、真空管路系統、氣路系統、直聯式無油真空泵、防震工作台等組成。
適用於φ100mm以下,厚度5mm以下的各種基片的對準曝光。
e.高精度單面:針對各大專院校、企業及科研單位,對光刻機使用特性研發的一種高精度光刻機,中小規模集成電路、半導體元器件、光電子器件、聲表面波器件的研製和生產。
高精度對準工作台、雙目分離視場CCD顯微顯示系統、曝光頭、氣動系統、真空管路系統、直聯式無油真空泵、防震工作台和附件箱等組成。
解決非圓形基片、碎片和底面不平的基片造成的版片分離不開所引起的版片無法對準的問題。

光刻機超分辨光刻機

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2018年11月29日,國家重大科研裝備研製項目“超分辨光刻裝備研製”通過驗收。該光刻機由中國科學院光電技術研究所研製,光刻分辨力達到22納米,結合雙重曝光技術後,未來還可用於製造10納米級別的芯片。 [2] 
參考資料