光刻机的简单介绍

简介

光刻机/紫外曝光机（Mask Aligner) 又名：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。

品牌

光刻机的品牌众多，根据采用不同技术路线的可以归纳成如下几类：

高端的投影式光刻机可分为步进投影和扫描投影光刻机两种，分辨率通常在十几纳米至几微米之间，高端光刻机号称世界上最精密的仪器，世界上已有7000万美金的光刻机。高端光刻机堪称现代光学工业之花，其制造难度之大，全世界只有少数几家公司能够制造。国外品牌主要以荷兰ASML（镜头来自德国），日本Nikon（intel曾经购买过Nikon的高端光刻机）和日本Canon三大品牌为主。

位于我国上海的SMEE已研制出具有自主知识产权的投影式中端光刻机，形成产品系列初步实现海内外销售。目前正在进行其他各系列产品的研发制作工作。

生产线和研发用的低端光刻机为接近、接触式光刻机，分辨率通常在数微米以上。主要有德国SUSS、美国MYCRO NXQ4006、以及中国品牌。

分类

光刻机一般根据操作的简便性分为三种，手动、半自动、全自动

A 手动：指的是对准的调节方式，是通过手调旋钮改变它的X轴，Y轴和thita角度来完成对准，对准精度可想而知不高了；

B 半自动：指的是对准可以通过电动轴根据CCD的进行定位调谐；

C 自动： 指的是 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处理量的需要，恩科优的NXQ8000系列可以一个小时处理几百片wafer。

紫外光源

曝光系统最核心的部件之一是紫外光源。

常见光源分为:

紫外光（UV），g线：436nm;i线：365nm

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

极紫外光（EUV），10 ~ 15 nm

对光源系统的要求

a.有适当的波长。波长越短，可曝光的特征尺寸就越小；[波长越短，就表示光刻的刀锋越锋利，刻蚀对于精度控制要求越高，因为衍射现象会更严重。]

b.有足够的能量。能量越大，曝光时间就越短；

c.曝光能量必须均匀地分布在曝光区。[一般采用光的均匀度 或者叫 不均匀度 光的平行度等概念来衡量光是否均匀分布]

常用的紫外光光源是高压弧光灯（高压汞灯），高压汞灯有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的g 线（436 nm）或i 线（365 nm）。

对于波长更短的深紫外光光源，可以使用准分子激光。例如KrF 准分子激光（248 nm）、ArF 准分子激光（193 nm）和F2准分子激光（157 nm）等。

曝光系统的功能主要有：平滑衍射效应、实现均匀照明、滤光和冷光处理、实现强光照明和光强调节等。

对准系统

制造高精度的对准系统需要具有近乎完美的精密机械工艺，这也是国产光刻机望其项背的技术难点之一，许多美国德国品牌光刻机具有特殊专利的机械工艺设计。例如Mycro N&Q光刻机采用的全气动轴承设计专利技术，有效避免轴承机械摩擦所带来的工艺误差。

对准系统另外一个技术难题就是对准显微镜。为了增强显微镜的视场，许多高端的光刻机，采用了LED照明。

对准系统共有两套，具备调焦功能。主要就是由双目双视场对准显微镜主体、目镜和物镜各1对（光刻机通常会提供不同放大倍率的目镜和物镜供用户组合使用）。

CCD对准系统作用是将掩模和样片的对准标记放大并成像于监视器上。

工件台顾名思义就是放工件的平台，光刻工艺最主要的工件就是掩模和基片。

工件台为光刻机的一个关键，由掩模样片整体运动台（XY）、掩模样片相对运动台（XY）、转动台、样片调平机构、样片调焦机构、承片台、掩模夹、抽拉掩模台组成。

其中，样片调平机构包括球座和半球。调平过程中首先对球座和半球通上压力空气，再通过调焦手轮，使球座、半球、样片向上运动，使样片与掩模相靠而找平样片，然后对二位三通电磁阀将球座和半球切换为真空进行锁紧而保持调平状态。

样片调焦机构由调焦手轮、杠杆机构和上升直线导轨等组成，调平上升过程初步调焦，调平完成锁紧球气浮后，样片和掩模之间会产生一定的间隙，因此必须进行微调焦。另一方面，调平完成进行对准，必须分离一定的对准间隙，也需要进行微调焦。

抽拉掩模台主要用于快速上下片，由燕尾导轨、定位挡块和锁紧手轮组成。

承片台和掩模夹是根据不同的样片和掩模尺寸而进行设计的。

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。

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。

光刻的分辨率受受光源衍射的限制,所以与光源、光刻系统、光刻胶和工艺等各方面的限制。

对准精度是在多层曝光时层间图案的定位精度。

曝光方式分为接触接近式、投影式和直写式。

曝光光源波长为紫外、深紫外和极紫外区域，光源有汞灯，准分子激光器等。

曝光度

a.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。接触式，根据施加力量的方式不同又分为：软接触，硬接触和真空接触。

1.软接触 就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.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.真空接触 是在掩膜和基片中间抽气，使之更加好的贴合（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。

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；上个世纪七十年代的工业水准，已经逐渐被接近式曝光方式所淘汰了，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。

b.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。接近式在现代光刻工艺中应用最为广泛。

c.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。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。优点：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。

投影式曝光分类：

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

步进重复投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或称作Stepper）。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。

扫描步进投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。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。优点：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，同时因为需要反向运动，增加了机械系统的精度要求。