光刻技术的基本原理

什么是光刻机：

光刻机又叫掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等。常用的光刻机是掩膜对准光刻，所以叫 Mask Alignment System。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。Photolithography（光刻） 意思是用光来制作一个图形（工艺）；在硅片表面匀胶，然后将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。

光刻技术的基本原理： 

1、涂胶

目前涂胶的主要方法有：甩胶、喷胶和气相沉积 ，但应用最广泛的还是甩胶。甩胶是利用芯片的高速旋转，将多余的胶甩出去，而在芯片上留下一层均匀的胶层，通常这种方法可以获得优于+2%的均匀性（边缘除外）。甩胶的主要缺陷有：气泡、彗星（胶层上存在的一些颗粒）、条纹、边缘效应等，其中边缘效应对于小片和不规则片尤为明显。

2、紫外光刻

  目前占光刻技术主导地位的仍然是紫外光刻。按波长可分为紫外、深紫外和极紫外光刻。按曝光方式可分为接触/接近式光刻和投影式光刻。接触/接近式光刻通常采用汞灯产生的365~436nm的紫外波段，而投影式光刻通常采用准分子激光器产生的深紫外（248nm）和极紫外光（193nm 和157nm）。

2.1 接触/接近式光刻 

  接触/接近式光刻是发展最早，也是最常见的曝光方式。它采用1：1方式复印掩膜版上的图形，这类光刻机结构简单，价格便宜，发展也较成熟，缺点是分辨率不高，通常最高可达1um 左右。此外由于掩膜版直接和光刻胶接触，会造成掩膜版的沾污。

2.2投影式光刻 

    投影式光刻机在现代光刻中占主要地位，据调查显示，投影式光刻机约占整个光刻设备市场份额的70%以上。其主要优点是分辨率高，不沾污掩膜版，重复性好，但结构复杂，价格昂贵。 投影式光刻机又分为扫描式和步进式，扫描式采用1：1光学镜头，由于扫描投影分辨率不高，约1um左右，加之1*掩膜制备困难，因此80年代中期后就逐步被步进投影光刻机所取代。步进投影光刻机采用缩小投影镜头，一般有4：1.5,1.10:1等。 

3、粒子束光刻 

    由于光学光刻受分辨率限制，要得到分辨率更高的图形只能求助于粒子束光刻，因此有人预言21世纪将是粒子束光刻的世纪。常见的粒子束光刻主要有X射线、电子束和离子束光刻。

3.1 X射线光刻 

    X射线光刻技术是目前国外研究比较热门的一种粒子束光刻技术，同光学曝光相比，X射线有着更短的波长，因此有可能获得分辨率更高的图形，目前被认为是100nm线条以下半导体器件制造的主要工具。

3.2电子束光刻

  电子束曝光技术是迄今为止分辨率最高的一种曝光手段。电子束光刻的优点是（1）分辨率高；（2）不需要掩膜；（3）不受像场尺寸限制；（4）真空内曝光，无污染；（5）由计算机控制，自动化程度高。 但由于电子束入射光刻胶和衬底后会产生散射，因而限制了实际的分辨率（即邻近效应）。电子束采用直接写的技术，因此曝光的速度很慢，不实用于大硅片的生产，此外电子束轰击衬底也会产生缺陷。

3.3离子束光刻 

    离子束光刻和电子束光刻较类似，也是采用直接写的技术，由于离子的质量比电子重得多，因此只在很窄的范围内产生很慢的二次电子，邻近效应可以忽略，可以得到更高分辨率的图形（可达20nm）。离子束光刻目前主要应用于版的修复。