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光刻技术的基本原理


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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。

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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。




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