10分钟看懂光刻机（那到底什么是光刻机）

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，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。

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。

生产集成电路的简要步骤：

利用模版去除晶圆表面的保护膜。

将晶圆浸泡在腐化剂中，失去保护膜的部分被腐蚀掉后形成电路。

用纯水洗净残留在晶圆表面的杂质。

其中曝光机就是利用紫外线通过模版去除晶圆表面的保护膜的设备。

一片晶圆可以制作数十个集成电路，根据模版曝光机分为两种：

模版和晶圆大小一样，模版不动。

模版和集成电路大小一样，模版随曝光机聚焦部分移动。

其中模版随曝光机移动的方式，模版相对曝光机中心位置不变，始终利用聚焦镜头中心部分能得到更高的精度。成为的主流

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。

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:

可见光：g线：436nm

紫外光（UV），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。]

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尘莫及的技术难点之一，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。

曝光光源波长分为紫外、深紫外和极紫外区域，光源有汞灯，准分子激光器等。

光刻机种类

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）

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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。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。

d. 高精度双面：主要用于中小规模集成电路、半导体元器件、光电子器件、声表面波器件、薄膜电路、电力电子器件的研制和生产。

高精度特制的翻版机构、双视场CCD显微显示系统、多点光源曝光头、真空管路系统、气路系统、直联式无油真空泵、防震工作台等组成。

适用于φ100mm以下，厚度5mm以下的各种基片的对准曝光。

e.高精度单面：针对各大专院校、企业及科研单位，对光刻机使用特性研发的一种高精度光刻机,中小规模集成电路、半导体元器件、光电子器件、声表面波器件的研制和生产。

高精度对准工作台、双目分离视场CCD显微显示系统、曝光头、气动系统、真空管路系统、直联式无油真空泵、防震工作台和附件箱等组成。

解决非圆形基片、碎片和底面不平的基片造成的版片分离不开所引起的版片无法对准的问题。

超分辨光刻机

2018年11月29日，国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”通过验收。该光刻机由中国科学院光电技术研究所研制，光刻分辨力达到22纳米，结合双重曝光技术后，未来还可用于制造10纳米级别的芯片。

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