最新最全的光刻机知识总结

光刻机

由于美国对中国实行了经济制裁和科技制裁，迫使我国的科学技术在近年来被迫进步。华为老总任正非说到：求生欲使我们振奋，寻找自救的道路！在这场科技的战争中，针对美国对华为的芯片制裁，迫使我们重视到芯片的重要性，光刻机的重要性。在这种国际形式之下，光刻机进入了全国人民的视野之中，人们意识到发展国家自主光刻机技术，在日益激烈的国际科技竞争中至关重要。年10月11日，与光刻机技术相关的光刻胶板块诞生于中国的交易所，板块的指数为.68元，到年10月光刻胶板块已经达到了.51元，在一年的时间里翻一番，通过经济的导向性作用，足见国家对光刻技术的重视。

图1ASML光刻机

芯片作为电子产品中的核心，对于整个产品的性能具有重要影响，如运行速度、功耗等问题，对客户的使用体验影响尤为重要。而光刻机作为制造高性能芯片的仪器，在芯片高性能化、小型化的时代中发挥了重要的作用。“公欲善其事，必先利其器。”如果想要提高芯片的性能就必须从加工芯片的方式入手，提高芯片的加工精度。

图2晶圆芯片

如上图所示，一块由光刻机加工好的晶圆表面有许多块芯片，而每一块芯片的内部存在犹如城市一般的复杂电路。

集成电路生产步骤

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。

光刻机光源

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：nm

紫外光（UV），i线：nm

深紫外光（DUV）,KrF准分子激光：nm,ArF准分子激光：nm

极紫外光（EUV），10~15nm

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（nm）或i线（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（nm）、ArF准分子激光（nm）和F2准分子激光（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。

光刻机种类

a.接触式曝光（ContactPrinting）：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

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（ProximityPrinting）: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～μm。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（ProjectionPrinting）: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（ScanningProjectPrinting）。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-repeatingProjectPrinting或称作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（Iline）～0.25μm（DUV）。掩膜板缩小比例（4：1），曝光区域（ExposureField）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-SteppingProjectPrinting）。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（ExposureField）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φmm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。

光刻原理

光刻就是把芯片制作所需要的线路与功能区做出来。利用光刻机发出的光通过具有图形的光罩对涂有光刻胶的薄片曝光，光刻胶见光后会发生性质变化，从而使光罩上得图形复印到薄片上，从而使薄片具有电子线路图的作用。这就是光刻的作用，类似照相机照相。照相机拍摄的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是电路图和其他电子元件。

图3光刻机原理

光刻技术是一种精密的微细加工技术。常规光刻技术是采用波长为埃的紫外光作为图像信息载体，以光致抗光刻技术蚀剂为中间（图像记录）媒介实现图形的变换、转移和处理，最终把图像信息传递到晶片)或介质层上的一种工艺。

在广义上，光刻包括光复印和刻蚀工艺两个主要方面：

2、刻蚀工艺：利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。集成电路各功能层是立体重叠的，因而光刻工艺总是多次反复进行。例如，大规模集成电路要经过约

光学光刻技术

4ASML生产的20世纪90年代以来，为了适应g谱线、I谱线光源以及ArF等准分子激光光源。目前光学光刻技术的发展方向主要表现为缩短曝光光源波长、提高数值孔径和改进曝光方式。

5光刻发展史

（1）移相掩模

光刻分辨率取决于照明系统的部分相干性、掩模图形空间频率和衬比及成象系统的数值孔径等。相移掩模技术的应用有可能用传统的光刻技术和/间隔图形传统光刻方法的局限性。

随着移相掩模技术的发展,大体上可分为交替式移相掩膜技术、衰减式移相掩模技术；边缘增强型相移掩模(交替移相+衰减移相)几类。尤其以交替型和全透明移相掩模对分辨率改善最显著度变化”光强分布,使成像分辨率提高近,无论从理论还是实践上看都令人惊叹,产生光的干涉效应,包括,尤其浸没透镜曝光技术上的突破和两次曝光技术的应用,为分辨率增强技术的应用更创造了有利条件。

（,他在纳米制造领域中起着不可替代的作用。电子束光刻主要是刻画微小的电路图，电路通常是以纳米微单位的。电子束光刻技术不需要掩膜，直接将会聚的电子束斑打在表面涂有光刻胶的衬底上。

电子束光刻技术要应用于纳米尺度微小结构的加工和集成电路的光刻，必须解决几个关键的技术问题：电子束高精度扫描成像曝光效率低

图,电子束邻近效应校正技术、电子束曝光与光学曝光系统的匹配和混合光刻技术及抗蚀剂曝光工艺优化技术的应用，是一种提高电子束光刻系统实际光刻分辨能力非常有效的办法。电子束光刻最主要的就是金属化剥离，第一步是在光刻胶表面扫描到自己需要的图形。第二部是将曝光的图形进行显影，去除未曝光的部分，第三部在形成的图形上沉淀金属，第四部将光刻胶去除，在金属剥离的过程中，关键在于光刻工艺的胶型控制。最好使用厚胶，这样有利于胶剂的渗透，形成清晰的形貌。

（(FocusedIonbeam,FIB)的系统是利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割仪器，她的原理与电子束光刻相近，不过是有电子变成离子。目前商业用途系统的离子束为液态金属离子源，金属材质为镓，因为镓元素具有熔点低、低蒸气压、及良好的抗氧化力；典型的离子束显微镜包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子侦测器、(Extractor)牵引尖端的镓，而导出镓离子束，在一般工作电压下，尖端电流密度约为10-8Amp/cm2，以电透镜聚焦，经过一连串变化孔径4nm，虽然其分辨率不及扫描式电子显微镜和穿透式电子显微镜，但是对于定点结构的分析，它没有试片制备的问题，在工作时间上较为经济。

聚焦离子束投影曝光除了前面已经提到的曝光灵敏度极高和没有邻近效应之外还包括焦深大于曝光深度可以控制。离子源发射的离子束具有非常好的平行性，离子束投影透镜的数值孔径只有μm，也就是说，硅片表面任何起伏在2μm为。她的主要作用就是在电路上进行修补，和生产线制成异常分析或者进行光阻切割。

（EUV光刻技术

在微电子技术的发展历程中，人们一直在研究开发新的X射线投影光刻称作极紫外投影光刻。在光刻技术领域我们的科学家们对极紫外投影光刻22nm以及更小线宽的集成电路生产使用。

7EUV光刻机模型

13nm的0.1um的细条。

在EUV技术进行了理论上的探讨并做了许多相关的实验。近十年之后微电子行业的发展受到重重阻碍才致人们有了忧患意识。并且从微电子技术的发展过程能判断出，若不早日推出极紫外光刻技术来对当前的芯片制造方法做出全面的改进，将使整个芯片工业处在岌岌可危的地步。

mask）；能够用于极端紫外的光刻涂层（

图10nm，其研发和制造原理实际上和传统的光学光刻在原理上十分相似。对光刻机的研究重点是要求定位要极其快速精密以及逐场调平调焦技术，因为光刻机在工作时拼接图形和步进式扫描曝光的次数很多。不仅如此入射对准光波信号的采集以及处理问题还需要解决。

1）EUV技术当前状况

EUV技术是必须的。波长越短，频率越高，光的能量正比于频率，反比于波长。但是因为频率过高，传统的光溶胶直接就被打穿了。现在，半导体工艺的发展已经被许多物理学科从各个方面制约了。

在EUV技术已经展现出一些特点所以现在EUV技术自身来讲，同时尽可能的想办法降低输出能量。

2）目前1、造价太高，高达nmArF浸没式光刻机贵；

3、没有无缺陷的掩模；

5、人力资源缺乏；

22nm工艺早期开发工作。

3）30nm以下EUV光刻技术设备制造成本十分高昂，包括掩模和工艺在内的诸多方面花费资金都很大。同时极紫外光刻光学系统的设计和制造也极其复杂，存在许多尚未解决的技术问题，但对这些难关的解决方案正在研究当中，一旦将这些难题解决，极紫外光刻技术在大规模集成电路生产应用过程中就不会有原理性的技术难关了。

（X射线光刻技术

X射线，也因此获得了诺贝尔物理学奖。X射线的波长极短，X射线被最早提出用于光刻技术上，0.7到X射线光刻基础工艺

X射线进行曝光时对波长的选择是受到一定因素限制的，在曝光过程中，光刻胶会吸收X射线波长变化而相继改变的光电子，这些光电子会降低光刻分辨率，X射线的波长有助于提高光刻分辨率。然而长波长的X射线的波长。

今年来的研究发现，当图形的线宽小到一定程度时（一般为X光刻分辨率也受到掩模版与晶圆间距大小的影响。

除此之外，还需要大量的实验研究来解决

图1：X射线掩模的基本结构包括薄膜、吸收体、框架、衬底，其中薄膜衬基材料一般使用SiC、金刚石。吸收体主要使用金、钨等材料，其结构图如图所示：

10X射线掩模的基本结构

3）对于掩模的性能要求如下：

X射线以及其他光线的有效透过，且保障其有足够的机械强度，具有高的2、保障其高宽比的量，且其要有高度的分辨率以及反差。

Si3N4膜常常使用低压X射线光刻技术不仅拥有高分辨率，并且有高出产率的优点。通过目前对IC电路的生产中发挥更重要的作用，突破高精度图形掩模技术难关已经如同箭在弦上。

（20世纪,已被证实是纳米尺寸大面积结构复制最有前途的下一代光刻技术之一。目前该技术能实现分辨率达,它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂的纳米结构图案制在印章上,被广泛用于微纳结构加工。整个热压印过程必须在气压小于,以避免由于空气气泡的存在造成压印图案畸变,热压印印章选用,这是由于,减小了压印过程中断裂或变形的可能性。

此外,与大多数化学药品不起反应,先在()的铬薄膜,随后在铬薄膜上均匀涂覆,再用电子束光刻在SiC的化学键SiC上加高电压。最后在,用反应离子刻蚀在

图a.聚合物被加热到它的玻璃化温度以上。这样可减少在压印过程中聚合物的粘性,在一定压力下,因为这样会增加升温和降温的时间,而对模压结构却没有明显改善,必须通过加热器控制加热温度不变。

,约为c.压印过程结束后,以使图案固化,便于脱模。然后用反应离子刻蚀将残余的聚合物去掉,模板上的纳米图案完整地转移到硅基底表面的聚合物上,在真空环境下被固定在各自的卡盘上。当衬底和印章的光学对准完成后,紫外压印对环境要求更低,从而使用该技术生产能大大缩短生产周期,制作紫外压印印章要求使用能被紫外线穿过的材料。

以往紫外压印工艺中印章是用PDMS是一种杨式模数很小的弹性体PDMS本身的物理软性,法国国家纳米结构实验室提出使用一种,以减小紫外压印印章的形变。

该印章使用,中间一层是厚度为PDMS缓冲层PMMA构成。具体制作印章步骤是先将PDMS材料上PMMA上镀上一层,再在锗薄膜上涂覆对电子束灵敏度高的抗蚀剂,随后用电子束光刻及反应离子刻蚀就可在印章顶层,最后将残余锗薄膜移去即可。使用该方法可以在保持高分辨率情况下大大提高印章的坚硬度年，贝尔实验室发明第一只点接触晶体管。从此光刻技术开始了发展。

年代，仙童提出IC计算机2英寸集成电路生产线，美国年代，0.5μm节点。

SVGL公司开发出第一代步进扫描投影曝光机，集成电路图形线宽从0.35μm节点。

n年，mm晶圆曝光机，推出5L步进机；FPA，70nm的”。

0年以来，在光学光刻技术努力突破分辨率“极限”的同时，NGL正在研究，包括极紫外线光刻技术，电子束光刻技术，X射线光刻技术，纳米压印技术等。

国外主要生产商（ASML）

荷兰ASML公司(全称：AdvancedSemiconductorMaterialLithography，目前该全称已经不作为公司标识使用，公司的注册标识为ASMLHoldingN.V)，中文名称为阿斯麦尔（中国大陆）、艾司摩尔（中国台湾）。

这是一家总部设在荷兰艾恩德霍芬（Veldhoven）的全球最大的半导体设备制造商之一，向全球复杂集成电路生产企业提供领先的综合性关键设备。ASML的股票分别在阿姆斯特丹及纽约上市，自年以来，ASML股价市值从89.52欧元/股上涨到.9欧元/股，涨幅达到欧元/股，折合人民币约元/股，翻了三倍。可见，芯片加工技术，已经受到国际金融市场的

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