淺談不同階段光刻機(jī)工作方式

本文介紹了什么是光刻，以及光刻工藝、設(shè)備的發(fā)展。

光刻機(jī)是科技的金子塔，比較難理解，讓我們先了解一下什么是光刻？

大家知道半導(dǎo)體基材主要是單晶硅，基材猶如一塊石頭，需要經(jīng)過一定工藝切成了片狀，切成片狀之后再給片狀基材里注入不同的元素，使半導(dǎo)體光電性能滿足我們的需要。

為了將這個片狀晶圓改造成高端的芯片，則需要把晶圓劃分成盡可能小的單元，讓半導(dǎo)體在盡可能小的單元內(nèi)進(jìn)行運算，劃分晶圓的工具便是——光！

光刻的過程說起來很簡單，在硅片表面勻膠，然后將掩蓋模版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，是將器件或電路結(jié)構(gòu)臨時“復(fù)制”到硅片上的過程。

這個過程很像小時候看的露天膠片電影，小時候搬個小板凳看露天電影，通常有一個大銀幕上放映圖像（硅片），熒幕前的放映帶（掩模版）通過燈光將圖形投影到熒幕上。看來生活中的很多知識都是相通的，雖然你沒有看過牛逼的光刻機(jī)如何工作，但是你很早看過膠片電影，這就是“光刻”了。

光刻在整個硅片的加工成本中幾乎占據(jù)三分之一！

為啥？設(shè)備太貴了！原材料太貴了！據(jù)說光刻占整個流片時間的40%-50%。

文字寫起來不直觀，不如來點簡易的光刻流程示意圖，下面是光刻的大致流程： ?

一、硅片清洗

? 這部分就不解釋了，看電影之前要清理一下熒幕，如果有個蒼蠅爬在上面始終影響觀影感受。 ?

? 二、烘干 ? 這部分也好理解，硅片上有水滴操作起來不方便，有水分也影響后面光刻膠的牢固度。硅片的烘干類似于大家在家里烤面包，丟在烤箱里烤干。 ?

? 三、勻膠

烘干后的硅片就要開始涂光刻膠了，這部分怎么看都像在攤煎餅果子，整體流程也是一個攤煎餅果子的流程。

打個雞蛋（膠），然后讓雞蛋鋪展開來，保證厚度均勻口感才好。涂膠均勻后再把溢出的膠處理掉。

? 四、烘干

“煎餅果子”攤好以后需要烤一會兒，畢竟生雞蛋是沒有人吃的。

光刻膠涂好以后也需要烘烤，提高膠的粘附性。烘烤可以選擇不同的熱源，比如烘箱、加熱板等。

? 五、光刻

涂膠后的硅片就要開始光刻了，前面說了光刻就是將掩膜版上的幾何圖形轉(zhuǎn)移到涂有一層光刻膠的硅片表面的工藝過程。

聽起來挺簡單，但光刻的精度卻在過去幾年發(fā)生了翻天覆地的變化，光刻設(shè)備也經(jīng)歷了幾次技術(shù)迭代。

同樣是光刻機(jī)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展也發(fā)生了很大的變化。

自20世紀(jì)60年代以來，光學(xué)光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)形式經(jīng)歷了接觸式、接近式、掃描式投影、分步式投影和步進(jìn)掃描式投影光刻機(jī)等發(fā)展階段，光刻機(jī)的主要發(fā)展歷程見下圖：

? 下面我們大致了解一下不同階段光刻機(jī)工作方式：

1、接觸式光刻機(jī)

什么是接觸式光刻機(jī)？

接觸式光刻機(jī)是20世紀(jì)60-70年代集成電路制造中的主要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如下圖所示： ?

? 在曝光過程中，掩模版與涂覆有光刻膠的硅片直接接觸。接觸式光刻機(jī)的縮放比為1:1，分辨率可達(dá)到4-5微米。由于掩模和光刻膠膜層反復(fù)接觸和分離，隨著曝光次數(shù)的增加，會引起掩模版和光刻膠膜層損壞、芯片良率下降等不良后果。

一般掩模版在完成15-25次曝光后就需要進(jìn)行清潔或更換，掩模版的制造和維護(hù)費用增加了光刻成本和芯片制造成本。

來看看示意圖： ?

? MASK代表掩模版，UV Light代表紫外光，PR代表光刻膠。 ?

2、接近式光刻機(jī)

為什么有接近式光刻機(jī)呢？

因為人們發(fā)現(xiàn)掩模貼在硅片上損耗太大了，定期就要更換，于是考慮將掩模和硅片間留一點距離，這樣便可以延長掩模的壽命了。接近式光刻機(jī)掩模距硅片表面10um，沒有直接和硅片接觸，延長了掩模的壽命，光刻的精度在3um以上。 ? 這種設(shè)備工作的示意圖如下：

? MASK代表掩模版，UV Light代表紫外光，PR代表光刻膠。

? 相比于接觸式光刻機(jī)而言，接近式光刻機(jī)延長了掩模版的使用壽命，降低了芯片制造成本。接近式光刻機(jī)的縮放比近似為1:1，分辨率可達(dá)到 2-4 微米，是20世紀(jì)70年代芯片制造的主要設(shè)備。

然而，掩模版和光刻膠膜層之間的微小間距會導(dǎo)致掩模曝光時產(chǎn)生菲涅耳衍射效應(yīng)，這是制約接近式光刻機(jī)分辨率提高的主要因素。

? 3、投影式光刻機(jī)

當(dāng)光刻技術(shù)發(fā)展到一定階段下，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)接近式光刻機(jī)無法滿足半導(dǎo)體發(fā)展需要，因為掩模離硅片有一定距離，而這個距離導(dǎo)致光無法對硅片進(jìn)行高精度光刻。于是便誕生了新的構(gòu)想，就是投影光刻機(jī)。

1973年研制出掃描式投影光刻機(jī)，曝光過程中，以1mm寬的弧形狹縫對掩模圖形進(jìn)行全視場掃描曝光。采用深紫外照明光源，并結(jié)合折反式投影物鏡系統(tǒng)，掃描式投影光刻機(jī)可實現(xiàn)1微米的光刻分辨率。

? 這種光刻原理相比之前又有了進(jìn)步，它的進(jìn)步之處就是雖然掩模離硅片有一定距離，科學(xué)家將這個距離進(jìn)行分解，通過一定的光學(xué)鏡片對光束再次整形，提高光的精度。

而按照光的工作方式可以分為步進(jìn)型和掃描型，簡單理解步進(jìn)型是一次給你拍張個人照片，掃描型是像打印機(jī)一樣，一邊給你拍照，再下一步給你親人拍照，最后形成一張全家福。

下面先看看步進(jìn)型光刻機(jī)的工作方式：

? 下面是掃描型投影光刻機(jī)示意圖：

? 掃描投影光刻機(jī)在進(jìn)行曝光時，工件臺承載涂覆好光刻膠的硅片步進(jìn)移動到曝光視場位置，然后在掃描狹縫開啟的同時，掩模臺和工件臺開始進(jìn)行同步運動。 ? 當(dāng)完成曝光后，掃描狹縫關(guān)閉，這樣便完成一次掃描曝光。之后工件臺步進(jìn)驅(qū)動硅片將下一個待曝光單元移動到曝光視場位置。

重復(fù)上述步進(jìn)掃描曝光步驟，直至硅片上所有曝光單元全部完成曝光，再更換新的硅片。

下面是步進(jìn)型光刻機(jī)和掃描型光刻機(jī)工作的差異：

? 4、相移掩模

相移掩模是由于光刻精度的進(jìn)一步提高，光的相互干涉影響到光刻質(zhì)量，為了減少光線干涉的影響而將掩模版進(jìn)行改進(jìn)，其工作大致示意圖如下：

? 5、浸沒式光刻機(jī)

浸沒式光刻機(jī)是目前光刻領(lǐng)域最有趣的問題，工作原理是利用水提高分辨率，在透鏡和硅片之間有介質(zhì)水，大約1 mm的間距。按照工作方式又分噴淋或浸泡，目前主要的光刻機(jī)生產(chǎn)商的研發(fā)方向都是噴淋系統(tǒng)。其中193 nm浸沒式光刻技術(shù)已在2006年投入使用。更多理論的知識還有待進(jìn)一步了解。

來張示意圖看看：