簡介

光刻機(jī)/紫外曝光機(jī)（Mask Aligner) 又名：掩模對準(zhǔn)曝光機(jī)，曝光系統(tǒng)，光刻系統(tǒng)等。常用的光刻機(jī)是掩膜對準(zhǔn)光刻，所以叫 Mask Alignment System.

一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。

Photolithography（光刻） 意思是用光來制作一個圖形（工藝）；

在硅片表面勻膠，然后將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移光刻膠上的過程將器件或電路結(jié)構(gòu)臨時“復(fù)制”到硅片上的過程。

品牌

光刻機(jī)的品牌眾多，根據(jù)采用不同技術(shù)路線的可以歸納成如下幾類：

高端的投影式光刻機(jī)可分為步進(jìn)投影和掃描投影光刻機(jī)兩種，分辨率通常在十幾納米至幾微米之間，高端光刻機(jī)號稱世界上最精密的儀器，世界上已有7000萬美金的光刻機(jī)。高端光刻機(jī)堪稱現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花，其制造難度之大，全世界只有少數(shù)幾家公司能夠制造。國外品牌主要以荷蘭ASML（鏡頭來自德國），日本Nikon（intel曾經(jīng)購買過Nikon的高端光刻機(jī)）和日本Canon三大品牌為主。

位于我國上海的SMEE已研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的投影式中端光刻機(jī)，形成產(chǎn)品系列初步實現(xiàn)海內(nèi)外銷售。目前正在進(jìn)行其他各系列產(chǎn)品的研發(fā)制作工作。

生產(chǎn)線和研發(fā)用的低端光刻機(jī)為接近、接觸式光刻機(jī)，分辨率通常在數(shù)微米以上。主要有德國SUSS、美國MYCRO NXQ4006、以及中國品牌。

分類

光刻機(jī)一般根據(jù)操作的簡便性分為三種，手動、半自動、全自動

A 手動：指的是對準(zhǔn)的調(diào)節(jié)方式，是通過手調(diào)旋鈕改變它的X軸，Y軸和thita角度來完成對準(zhǔn)，對準(zhǔn)精度可想而知不高了；

B 半自動：指的是對準(zhǔn)可以通過電動軸根據(jù)CCD的進(jìn)行定位調(diào)諧；

C 自動： 指的是 從基板的上載下載，曝光時長和循環(huán)都是通過程序控制，自動光刻機(jī)主要是滿足工廠對于處理量的需要，恩科優(yōu)的NXQ8000系列可以一個小時處理幾百片wafer。

紫外光源

曝光系統(tǒng)最核心的部件之一是紫外光源。

常見光源分為:

紫外光（UV），g線：436nm;i線：365nm

深紫外光（DUV）,KrF 準(zhǔn)分子激光：248 nm, ArF 準(zhǔn)分子激光：193 nm

極紫外光（EUV），10 ~ 15 nm

對光源系統(tǒng)的要求

a.有適當(dāng)?shù)牟ㄩL。波長越短，可曝光的特征尺寸就越??；[波長越短，就表示光刻的刀鋒越鋒利，刻蝕對于精度控制要求越高，因為衍射現(xiàn)象會更嚴(yán)重。]

b.有足夠的能量。能量越大，曝光時間就越短；

c.曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。[一般采用光的均勻度 或者叫 不均勻度 光的平行度等概念來衡量光是否均勻分布]

常用的紫外光光源是高壓弧光燈（高壓汞燈），高壓汞燈有許多尖銳的光譜線，經(jīng)過濾光后使用其中的g 線（436 nm）或i 線（365 nm）。

對于波長更短的深紫外光光源，可以使用準(zhǔn)分子激光。例如KrF 準(zhǔn)分子激光（248 nm）、ArF 準(zhǔn)分子激光（193 nm）和F2準(zhǔn)分子激光（157 nm）等。

曝光系統(tǒng)的功能主要有：平滑衍射效應(yīng)、實現(xiàn)均勻照明、濾光和冷光處理、實現(xiàn)強(qiáng)光照明和光強(qiáng)調(diào)節(jié)等。

對準(zhǔn)系統(tǒng)

制造高精度的對準(zhǔn)系統(tǒng)需要具有近乎完美的精密機(jī)械工藝，這也是國產(chǎn)光刻機(jī)望其項背的技術(shù)難點之一，許多美國德國品牌光刻機(jī)具有特殊專利的機(jī)械工藝設(shè)計。例如Mycro N&Q光刻機(jī)采用的全氣動軸承設(shè)計專利技術(shù)，有效避免軸承機(jī)械摩擦所帶來的工藝誤差。

對準(zhǔn)系統(tǒng)另外一個技術(shù)難題就是對準(zhǔn)顯微鏡。為了增強(qiáng)顯微鏡的視場，許多高端的光刻機(jī)，采用了LED照明。

對準(zhǔn)系統(tǒng)共有兩套，具備調(diào)焦功能。主要就是由雙目雙視場對準(zhǔn)顯微鏡主體、目鏡和物鏡各1對（光刻機(jī)通常會提供不同放大倍率的目鏡和物鏡供用戶組合使用）。

CCD對準(zhǔn)系統(tǒng)作用是將掩模和樣片的對準(zhǔn)標(biāo)記放大并成像于監(jiān)視器上。

工件臺顧名思義就是放工件的平臺，光刻工藝最主要的工件就是掩模和基片。

工件臺為光刻機(jī)的一個關(guān)鍵，由掩模樣片整體運動臺（XY）、掩模樣片相對運動臺（XY）、轉(zhuǎn)動臺、樣片調(diào)平機(jī)構(gòu)、樣片調(diào)焦機(jī)構(gòu)、承片臺、掩模夾、抽拉掩模臺組成。

其中，樣片調(diào)平機(jī)構(gòu)包括球座和半球。調(diào)平過程中首先對球座和半球通上壓力空氣，再通過調(diào)焦手輪，使球座、半球、樣片向上運動，使樣片與掩模相靠而找平樣片，然后對二位三通電磁閥將球座和半球切換為真空進(jìn)行鎖緊而保持調(diào)平狀態(tài)。

樣片調(diào)焦機(jī)構(gòu)由調(diào)焦手輪、杠桿機(jī)構(gòu)和上升直線導(dǎo)軌等組成，調(diào)平上升過程初步調(diào)焦，調(diào)平完成鎖緊球氣浮后，樣片和掩模之間會產(chǎn)生一定的間隙，因此必須進(jìn)行微調(diào)焦。另一方面，調(diào)平完成進(jìn)行對準(zhǔn)，必須分離一定的對準(zhǔn)間隙，也需要進(jìn)行微調(diào)焦。

抽拉掩模臺主要用于快速上下片，由燕尾導(dǎo)軌、定位擋塊和鎖緊手輪組成。

承片臺和掩模夾是根據(jù)不同的樣片和掩模尺寸而進(jìn)行設(shè)計的。

性能指標(biāo)

光刻機(jī)的主要性能指標(biāo)有：支持基片的尺寸范圍，分辨率、對準(zhǔn)精度、曝光方式、光源波長、光強(qiáng)均勻性、生產(chǎn)效率等。

分辨率是對光刻工藝加工可以達(dá)到的最細(xì)線條精度的一種描述方式。

光刻的分辨率受受光源衍射的限制,所以與光源、光刻系統(tǒng)、光刻膠和工藝等各方面的限制。

對準(zhǔn)精度是在多層曝光時層間圖案的定位精度。

曝光方式分為接觸接近式、投影式和直寫式。

曝光光源波長為紫外、深紫外和極紫外區(qū)域，光源有汞燈，準(zhǔn)分子激光器等。

曝光度

a.接觸式曝光（Contact Printing）：掩膜板直接與光刻膠層接觸。曝光出來的圖形與掩膜板上的圖形分辨率相當(dāng)，設(shè)備簡單。接觸式，根據(jù)施加力量的方式不同又分為：軟接觸，硬接觸和真空接觸。

1.軟接觸 就是把基片通過托盤吸附?。愃朴?a title='勻膠機(jī)' target='_blank' href='http://ikhwaa.com/yqsb/guochanyunjiaoji_1.html' class='seolabel'>勻膠機(jī)的基片放置方式），掩膜蓋在基片上面；

2.硬接觸 是將基片通過一個氣壓（氮氣），往上頂，使之與掩膜接觸；

3.真空接觸 是在掩膜和基片中間抽氣，使之更加好的貼合（想一想把被子抽真空放置的方式）

軟<硬<真空 接觸的越緊密，分辨率越高，當(dāng)然接觸的越緊密，掩膜和材料的損傷就越大。

缺點：光刻膠污染掩膜板；掩膜板的磨損，容易損壞,壽命很低（只能使用5～25次）；容易累積缺陷；上個世紀(jì)七十年代的工業(yè)水準(zhǔn)，已經(jīng)逐漸被接近式曝光方式所淘汰了，國產(chǎn)光刻機(jī)均為接觸式曝光，國產(chǎn)光刻機(jī)的開發(fā)機(jī)構(gòu)無法提供工藝要求更高的非接觸式曝光的產(chǎn)品化。

b.接近式曝光（Proximity Printing）:掩膜板與光刻膠基底層保留一個微小的縫隙（Gap），Gap大約為0～200μm?？梢杂行П苊馀c光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷，使掩膜和光刻膠基底能耐久使用；掩模壽命長（可提高10 倍以上），圖形缺陷少。接近式在現(xiàn)代光刻工藝中應(yīng)用最為廣泛。

c.投影式曝光（Projection Printing）:在掩膜板與光刻膠之間使用光學(xué)系統(tǒng)聚集光實現(xiàn)曝光。一般掩膜板的尺寸會以需要轉(zhuǎn)移圖形的4倍制作。優(yōu)點：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影響減小。

投影式曝光分類：

掃描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末～80年代初，〉1μm工藝；掩膜板1：1，全尺寸；

步進(jìn)重復(fù)投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或稱作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。掩膜板縮小比例（4：1），曝光區(qū)域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能覆蓋的區(qū)域）。增加了棱鏡系統(tǒng)的制作難度。

掃描步進(jìn)投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年代末～至今，用于≤0.18μm工藝。采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光區(qū)域（Exposure Field）26×33mm。優(yōu)點：增大了每次曝光的視場；提供硅片表面不平整的補(bǔ)償；提高整個硅片的尺寸均勻性。但是，同時因為需要反向運動，增加了機(jī)械系統(tǒng)的精度要求。