面對四月份美國對中興芯片禁運事件,我們體會到被別人拿住軟肋、受制于人的痛楚,而生產高性能芯片必須的關鍵設備就是光刻機,今天我們就來說一說光刻機的那些事兒。
光刻機(MaskAligner),又名掩模對準曝光機、曝光系統、光刻系統等,其中掩模對準光刻法是比較常用的光刻機,本文搜集整理的資料和例證主要以掩模對準光刻機為主。
光刻機的分類
高端的投影式光刻機可分為步進投影和掃描投影光刻機兩種,分辨率通常在十幾納米至幾微米之間,高端光刻機號稱是世界上最精密的儀器,高端光刻機堪稱現代光學工業之花,其制造難度大,目前全球只有少數幾家公司能夠制造。
國外品牌的光刻機主要以荷蘭ASML(光刻機鏡頭來自德國)、日本Nikon和日本Canon三大品牌為主。國內的光刻機主要是上海微電子裝備股份有限公司SMEE研制的具有自主知識產權的投影式中端光刻機,目前該公司的光刻機已經初步形成產品系列,開始在海內外銷售。
生產和研發用的低端光刻機為接近、接觸式光刻機,分辨率通常在數微米以上,主要是德國、美國和中國的產品品牌。
光刻機性能指標
光刻機的主要性能指標是支持基片的尺寸范圍、分辨率、對準精度、曝光方式、光源波長、光強均勻性、生產效率等“硬性”指標。
1)分辨率是指光刻加工工藝可以達到的最細線條精度。光刻的分辨率主要受到光源衍射極限的限制,也就是說受我們所說的阿貝極限(光學顯微鏡的分辨率極限約是可見光波長的一半)的限制。推而廣之,光刻機的分辨率也就受到光刻光學系統、光刻膠和光刻工藝等方面的限制。
2)對準精度是在多層曝光時層間圖案的定位精度。
掩膜對準光刻機光刻流程
一般的光刻工藝要經歷硅片表面清洗、烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。最初的工序是用光來制作一個掩模版,然后在硅片表面均勻涂抹光刻膠,將掩模版上的圖形或者電路結構轉移復制到硅片上,然后通過光學刻蝕的方法在硅片上刻蝕出已經“復制”到硅片上的內容。
曝光系統
曝光系統是光刻機的核心部件之一,為了盡量減小衍射極限的限制,曝光系統大量采用紫外、深紫外和極紫外光做光源,比如汞燈、準分子激光器。曝光系統主要實現平滑衍射效應、實現均勻照明、濾光和冷光處理、實現強光照明和光強調節等功能。曝光方式分為接觸接近式、投影式和直寫式。但總體來說,曝光系統所采用的光源必須滿足如下的要求:
1)適當的波長
波長越短,光刻的刀鋒越鋒利,可以用于刻蝕的特征尺寸就越小,刻蝕過程對精度的控制更好。
2)有足夠的能量
能量越大,每一次刻蝕中所花費的曝光時間就越短。
3)能量必須均勻地分布在曝光區
曝光區域的光的均勻度或者平行度越高,硅片上的刻蝕痕跡的深度和寬度更加趨于一致,刻蝕精度更高、更易于控制。
對準系統
對準系統是光刻機另一個核心的部件,制造高精度的對準系統需要具有近乎完美的精密機械工藝,這也是全球的光刻機技術難點,許多美國品牌和德國品牌的光刻機具有特殊專利的機械工藝設計,比如可以有效避免軸承機械摩擦誤差的全氣動軸承設計專利技術。
當然,顯微光學系統和CCD探測器是光刻機對準系統的另一個難題。根據操作的簡便性和精度的高低,光刻機的對準方式可以分為手動、半自動、全自動三種。
篳路藍縷以啟山林
“一萬年太久,只爭朝夕”,為了縮短我國與國際先進光刻技術的差距,打破國際高端光刻機市場的壟斷和限制,我國的 “02專項”(《極大規模集成電路制造技術及成套工藝》項目)的規劃中就已經確定了研制高端光刻機的戰略目標,將極紫外光刻關鍵技術列入“32-22nm裝備技術前瞻性研究”的重要攻關任務,長春光機所、成都光電所、上海光機所、微電子所、北京理工大學、哈爾濱工業大學、華中科技大學等研究單位一起進行攻關。
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原文標題:光刻機:精密儀器的典范
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