淺談不同階段光刻機工作方式

本文介紹了什么是光刻，以及光刻工藝、設備的發展。

光刻機是科技的金子塔，比較難理解，讓我們先了解一下什么是光刻？

大家知道半導體基材主要是單晶硅，基材猶如一塊石頭，需要經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，讓半導體在盡可能小的單元內進行運算，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移到光刻膠上，是將器件或電路結構臨時“復制”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?？磥砩钪械暮芏嘀R都是相通的，雖然你沒有看過牛逼的光刻機如何工作，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三分之一！

為啥？設備太貴了！原材料太貴了！據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生了翻天覆地的變化，光刻設備也經歷了幾次技術迭代。

同樣是光刻機，內部結構隨著半導體技術的發展也發生了很大的變化。

自20世紀60年代以來，光學光刻機的結構形式經歷了接觸式、接近式、掃描式投影、分步式投影和步進掃描式投影光刻機等發展階段，光刻機的主要發展歷程見下圖：

?

?

? 下面我們大致了解一下不同階段光刻機工作方式：

1、 接觸式光刻機

什么是接觸式光刻機？

接觸式光刻機是20世紀60-70年代集成電路制造中的主要設備，其結構如下圖所示： ?

? 在曝光過程中，掩模版與涂覆有光刻膠的硅片直接接觸。接觸式光刻機的縮放比為1:1，分辨率可達到4-5微米。由于掩模和光刻膠膜層反復接觸和分離，隨著曝光次數的增加，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次曝光后就需要進行清潔或更換，掩模版的制造和維護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

為什么有接近式光刻機呢？

因為人們發現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而言，接近式光刻機延長了掩模版的使用壽命，降低了芯片制造成本。接近式光刻機的縮放比近似為1:1，分辨率可達到 2-4 微米，是20世紀70年代芯片制造的主要設備。

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

? 3、投影式光刻機

當光刻技術發展到一定階段下，科學家發現接近式光刻機無法滿足半導體發展需要，因為掩模離硅片有一定距離，而這個距離導致光無法對硅片進行高精度光刻。于是便誕生了新的構想，就是投影光刻機。

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

? 這種光刻原理相比之前又有了進步，它的進步之處就是雖然掩模離硅片有一定距離，科學家將這個距離進行分解，通過一定的光學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型和掃描型，簡單理解步進型是一次給你拍張個人照片，掃描型是像打印機一樣，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。

下面先看看步進型光刻機的工作方式：

?

? 下面是掃描型投影光刻機示意圖：

?

? 掃描投影光刻機在進行曝光時，工件臺承載涂覆好光刻膠的硅片步進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行同步運動。 ? 當完成曝光后，掃描狹縫關閉，這樣便完成一次掃描曝光。之后工件臺步進驅動硅片將下一個待曝光單元移動到曝光視場位置。

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

下面是步進型光刻機和掃描型光刻機工作的差異：

? 4、相移掩模

相移掩模是由于光刻精度的進一步提高，光的相互干涉影響到光刻質量，為了減少光線干涉的影響而將掩模版進行改進，其工作大致示意圖如下：

? 5、浸沒式光刻機

浸沒式光刻機是目前光刻領域最有趣的問題，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，目前主要的光刻機生產商的研發方向都是噴淋系統。其中193 nm浸沒式光刻技術已在2006年投入使用。更多理論的知識還有待進一步了解。

來張示意圖看看：

? 下面是一臺DUV光刻機結構示意圖：

? 好了，光刻機的大致結構就介紹完了，經過光刻這一步以后接著便是顯影。

六、顯影

什么是顯影？

如果光刻時將掩模的圖案轉移到光刻膠上，那么顯影就是把這些圖案顯現出來，要的留下來，不要的去除。相當于刻印章，把要的圖形留下來。

? 按照光刻膠的不同去除方式，可以分為正膠和負膠，類似于雕刻印章的陽刻和陰刻。

? 顯影的過程又用到了攤煎餅果子的技術，如果煎餅里面有很多鏤空的圖形，滴點油，這些圖形就顯現出來了。

來看看顯影的作業過程：

? 經光刻和顯影后，在硅片上雕刻圖形便完成了，圖形完成后便進入后續的刻蝕、離子注入形成P-N結、電極生長、金屬化等…

最后，用一張圖來回顧一下光刻的流程：

審核編輯：黃飛

?