光刻机结构及工作原理(86页精品培训教程)
光刻工艺原理培训课件PPT(共 90张)
传统负胶的缺点
1、在显影时曝光区域由溶剂引起的泡涨。这种泡涨使硅片表面的光刻胶图形变形,对于具有微米和亚微米关键尺寸的极细小图形线条来说是不能接受的。 2、曝光时光刻胶可与氮气反应从而抑止其交联。
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光刻胶的物理特性
1、分辨率:是区别硅片表面上两个或更多的邻近特征图形的能力.一种解释分辨率的实际方法是通过硅片上形成符合质量规范要求的最小特征图形.形成的关键尺寸越小,光刻胶的分辨能力和光刻系统就越好.
线宽和间距的尺寸必须相等。随着特征尺寸减小，要将特征图形彼此分开更困难
软烘的目的: 光刻胶中溶剂部分挥发 改善粘附性 改善均匀性 改善抗蚀性 改善线宽控制 优化光刻胶的光吸收特性
热板
硅片
溶剂 排出
腔盖
如果光刻胶胶膜在涂胶后没软烘将出现的问题
1.光刻胶膜发黏并易受颗粒沾污： 2.光刻胶膜来自于旋转涂胶的内在应力将导致粘附性问题; 3.由于溶剂含量过高导致在显影时由于溶解差异,而很难区分曝光和未曝光的光刻胶; 4.光刻胶散发的气体(由于曝光时的热量)可能沾污光学系统的透镜;
8 光刻工艺原理
光刻的基本概念
光刻的本质：光刻处于硅片加工过程的中心，光刻常被认为是IC制造中最关键的步骤。光刻的本质就是把临时电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上。这些结构首先以图形的形式制作在名为掩膜版的石英膜版上。紫外光透过掩膜版把图形转移到硅片表面的光敏薄膜上。即使用光敏光刻胶材料和可控制的曝光在硅片表面形成三维图形。
在曝光过程中,从光源发出的光通过对准的掩膜版.版上有不透明和透明的区域,这些区域形成了转移到硅片表面的图形.曝光的目的就是把版上图形精确地复制成光刻胶上的最终图像。曝光的另一方面是,在所有其它条件相同时,曝光光线波长越短能曝出的特征尺寸就越小.事实上它是缩小硅片特征尺寸的驱动。此外,曝光的光线产生一定的能量,这对光刻胶产生化学反应是必可少的，光刻须均匀地分配到曝光区域.光学光刻需要在短波长下进行强曝光以获得当今精细光刻的关键尺寸。
光刻机的结构
光刻机的结构光刻机是一种用于半导体制造的关键设备，它在芯片制造过程中扮演着重要的角色。
光刻机的结构可以分为以下几个部分。
一、光源系统光刻机的光源系统是指提供光源的部分，它通常由激光器和光学系统组成。
激光器是产生高功率、高稳定性的激光光源的关键部件，而光学系统则负责将激光束聚焦到光刻胶上，以实现图形的投影。
二、掩膜系统掩膜系统是光刻机中用于制作掩膜的部分。
掩膜是一种具有特定图形的透明介质，它被用来屏蔽激光束，使其只照射到光刻胶上的特定区域。
掩膜系统通常由掩膜台和对准系统组成，掩膜台用于固定掩膜，而对准系统则用于确保掩膜与光刻胶之间的对准精度。
三、光刻胶涂覆系统光刻胶涂覆系统用于将光刻胶均匀地涂覆到芯片表面。
光刻胶是一种感光材料，它可以在光的作用下发生化学变化，从而形成芯片上的图形。
光刻胶涂覆系统通常由涂覆机、旋涂机和烘烤机组成，涂覆机用于将光刻胶均匀地涂覆到芯片表面，旋涂机用于将多余的光刻胶旋掉，而烘烤机则用于加热光刻胶，加快其固化过程。
四、曝光系统曝光系统是光刻机的核心部分，它用于将掩膜上的图形投影到光刻胶上。
曝光系统通常由光学系统和运动系统组成，光学系统用于将掩膜上的图形聚焦到光刻胶上，而运动系统则用于控制光刻胶和掩膜之间的相对位置，以实现图形的精确投影。
五、显影系统显影系统用于去除未曝光的光刻胶。
显影是利用化学溶液将未曝光的光刻胶溶解掉的过程，从而形成芯片表面的图形。
显影系统通常由显影机和清洗机组成，显影机用于将芯片浸泡在显影溶液中，清洗机用于去除残留的显影溶液和光刻胶。
光刻机的结构如上所述，它的每个部分都起着关键的作用，只有各部分协同工作，才能实现精确的图形投影和高质量的芯片制造。
随着半导体技术的不断发展，光刻机的结构也在不断创新和改进，以满足制造更小、更快、更强大的芯片的需求。
光刻机的结构对于芯片制造的成功至关重要，因此在设计和制造过程中需要严格控制各个部分的精度和质量，以确保芯片的可靠性和稳定性。
光刻机结构及工作原理
光刻机结构及工作原理
光刻机是用来制作微电子器件的关键设备之一，它能够将图案从掩膜转移到硅片或其他半导体材料上，用于制造集成电路、平板显示器、光学元件等微纳米器件。
光刻机的结构通常包括以下几个部分：
1. 曝光系统：曝光系统是光刻机的核心部件，它主要由光源、准直系统、投影系统和掩膜台组成。
光源产生紫外线光或深紫外光，准直系统将光束整形成平行光线，投影系统将图案投射到硅片上，掩膜台用于固定和对准掩膜和硅片。
2. 物质传递系统：物质传递系统负责将硅片从供料台取出并转移到掩膜台上，然后将硅片转移到后续工艺步骤中。
物质传递系统通常由机械臂、传送带和对准装置组成。
3. 控制系统：控制系统用于控制光刻机的各个部件的运动和操作，以确保准确的曝光和位置对准。
控制系统通常由计算机和相关的控制器组成。
光刻机的工作原理如下：
首先，将硅片放在掩膜台上，并使用对准装置将硅片和掩膜对准。
然后，通过准直系统和投影系统，将光源发出的光经过掩膜上的图案透过投影镜投射到硅片上。
光经过曝光后，根据不同的光刻技术，可能会引起化学反应、溶解光刻胶、硬化或蚀刻等变化。
完成曝光后，硅片通过物质传递系统移动到下一个工艺步骤，如显影、蚀刻等。
显影过程中，光刻胶被溶解或去除，暴露出硅片表面的图案。
在蚀刻过程中，通过化学或物理方法，去除硅片上未被保护的区域，形成所需的微结构。
总之，光刻机通过将图案从掩膜转移到硅片上，实现微电子器件的制造。
其结构包括曝光系统、物质传递系统和控制系统，通过精确的位置对准和光源的曝光，实现对硅片的加工和图案形成。
03 光刻机结构及工作原理1
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上讲内容：完整的IC制造工艺流程
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上讲内容：微电子制造装备概述
加法工艺
减法工艺 辅助工艺 图形转移工艺 后道工艺
曝光波长影响 光源技术：中心波长、光谱带宽、输出功率… 光学系统：光学设计、光学材料、光学镀膜… 光刻工艺：光刻胶、工艺参数…
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* 汞灯光源
光刻机结构原理：曝光系统
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光刻机结构：曝光系统
* 激光器
中心波长 波长带宽 脉冲频率 脉冲能量 输出功率
193.365 nm 0.3 pm 4000 Hz 5 mJ 20 W
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* 离轴照明
光刻机结构：曝光系统
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光刻机结构：曝光系统
顶部模块 (Top Modular)
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光刻机简介
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光刻机简介
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Development of lithography system
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* 光刻机发展路线图1
光刻原理培训教材
硅片截面
光刻工艺的简介
均匀胶层（正胶） 表面生长氧化层
硅片截面
光刻班进行加工的片子， 都必须经过的步骤-匀胶。 上图中为2道匀胶机
光刻工艺的简介
紫外线曝光灯
均匀胶层（正胶） 表面生长氧化层
硅片截面
图中为光刻班的核心加工设备 -光刻机。 经过上版、版对准、上片、片 对准后执行曝光。将掩膜图形 复印到硅片表面的胶层上
正胶：本身是难溶于正胶显影液的物质。而被紫外线照射 过的胶层会变为易溶，经正胶显影液显影后，会被 溶解去除。 负胶：与正胶相反，本身就是易溶于负胶显影液的物质。 而被紫外线照射后的胶层会变为难溶，能够抵抗负 胶显影液的显影。未曝光的胶层会被溶解去除。
光刻胶 假设如下情景：
紫外线光源
掩膜（不透光）
匀过负胶的硅片
表面生长氧化层
硅片截面
光刻胶
光刻胶：是一种具有感光成像功能的混合物， 其溶质为有用成分，具有抗蚀能力。使用时， 用匀胶机均匀的涂在硅片的表面。胶层在经过 紫外线照射时会发生化学性质的改变，经过显 影后部分胶层被溶解，这样就承载了掩膜版上 的图形。
光刻胶
根据光刻胶溶质感光性的差异，将光刻胶分为正性光刻胶 和负性光刻胶，以下简称正胶和负胶。
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光刻的意义
光刻是半导体芯片加工中的关键工序！
光刻确定了器件的关键尺寸。 光刻过程中的错误可造成图形歪曲或套准不好，最终可转化 为对器件的电特性产生影响。 图形的错位也会导致类似的不良结果。 光刻工艺中的另一个问题是缺陷。光刻是高科技版本的照相 术，只不过是在微小尺寸下完成。在制程中缺陷会因为多次 光刻而被会放大，大大降低成品率。
4寸：接触式一次曝光
光刻机结构及工作原理
光刻机结构及工作原理
光刻机主要由光源系统、聚焦系统、光罩系统、图形控制系统、掩膜版系统和光源清洗系统等组成。
其基本结构是由光源发出的激光照射在掩膜版上，使掩膜版上的图形像经荧光粉照射后发生吸收或散射，从而产生明暗变化。
控制光刻机曝光的曝光光源，它由一台由石英或玻璃制成的紫外光或极紫外光（EUV）光刻机主机组成。
光刻机的光源是半导体工业中最重要的部件之一。
它对光刻精度起决定性作用，而且光刻精度和亮度主要取决于波长。
目前使用最广泛的是EUV光源，它的波长为13.5nm，它的输出功
率很高，一般为200W~400W，相当于30~50W白炽灯亮度。
通常情况下，光刻机光源使用一种称为“掩膜版”的装置进行曝光，该掩膜版是一种带有小孔的玻璃或塑料薄板。
在曝光过程中，光刻机上的光罩将掩膜版上的图形像经过荧光粉或其他显影处理后反射出来，然后由投影物镜投射到光刻机工作台上，经过光刻机主机中所控制的光栅衍射和曝光系统形成电子束，最终投影到硅片上。
—— 1 —1 —。
光刻机结构及工作原理
光刻机结构及工作原理光刻机是一种半导体芯片制造过程中常用的设备，用于在硅片上制作电路图案。
其主要工作原理是利用光学技术将光源的光通过掩膜上的图案，通过光学透镜聚焦并将图案投射到光敏化的硅片表面上。
以下是光刻机的结构及其工作原理的详细解释。
1.光刻机的结构光刻机主要由以下几个部分组成：1）光源：光刻机采用紫外线光源，如氙灯或氩离子激光器等。
这些光源具有高亮度和短波长的特点，能够提供高强度的紫外线光线。
2）掩膜：掩膜是在光刻机上放置的带有电路图案的透明光板。
其图案按照所需的电路线路布局进行设计，并且图案中的不同区域对应不同的光刻区域。
3）光刻胶：光刻胶是一种光敏化的材料，涂布在硅片表面。
光刻胶的厚度可以根据所需的图案精度进行调整。
4）光学系统：光刻机的光学系统由光学元件和透镜组成，用于将光线通过掩膜上的图案聚焦到硅片表面上。
2.光刻机的工作原理光刻机的工作原理可以分为以下几个步骤：1）准备过程：首先，将硅片清洗干净，并用化学溶液去除表面的杂质和污垢。
然后，将光刻胶涂布在硅片表面，并进行预烘烤，使其变得均匀且粘附在硅片上。
2）对位过程：在掩膜和硅片上分别使用对位标记，将掩膜对准硅片上的标记。
这样可以确保掩膜图案和硅片表面的图案对应正确。
3）光刻过程：当两者对准后，启动光刻机进行曝光。
光源发出的紫外线光线通过光学系统、掩膜上的图案和透镜，最终聚焦在光刻胶层上。
光刻胶中的聚合物分子会受到光的作用而发生化学变化。
4）显影过程：曝光后，将硅片放入显影液中，显影液会将未曝光的部分光刻胶溶解掉，而曝光过的部分光刻胶则得以保留。
通过显影，硅片表面的图案被转移到光刻胶上。
5）后处理过程：显影后，将硅片进行烘干，同时也可以进行退火、刻蚀等步骤，以进一步优化电路图案的质量和性能。
总结：光刻机是半导体制造过程中必不可少的设备，通过光学技术将光源的光线聚焦到硅片表面上，从而制作出电路图案。
其工作原理包括准备、对位、光刻、显影和后处理等几个步骤。
光刻机的结构及光刻原理
光刻机的结构及光刻原理光刻机是一种关键的微电子制造设备，广泛应用于集成电路制造过程中的图案转移。
它的主要功能是将光模板上的微小结构投影到硅片上，从而形成所需的图案。
以下是关于光刻机结构和光刻原理的介绍。
光刻机的结构由以下几个主要组成部分组成：1. 照明系统：照明系统是光刻机中的关键部分，它提供所需的光源，并通过透镜系统将光传递到光刻模板上。
光源通常采用紫外线灯，因为紫外线具有较短的波长，有助于实现更高的分辨率。
2. 掩模（光刻模板）：掩模是一种光刻工艺所需的模板，上面有微细的图案。
它由光刻胶覆盖，通过曝光和显影过程来转移图案。
掩模可以进行多次使用，但在每次使用之前都需要进行清洁和检查，以确保图案质量。
3. 投影镜系统：投影镜系统由透镜和反射镜组成，其作用是将掩模上的图案投影到硅片上。
投影镜系统通过控制光的路径和聚焦来实现高分辨率的图案转移。
4. 移动平台（控制系统）：移动平台是支撑硅片和掩模的部分，它们通过控制系统的精确移动来实现图案的准确位置和对准。
控制系统还可以校正光的聚焦和曝光时间，以确保图案转移的质量和准确性。
光刻机的原理基于光学投影。
以下是光刻机的基本工作流程：1. 准备：在开始光刻过程之前，需要准备光刻胶和硅片。
首先，在硅片表面涂覆一层光刻胶，然后将掩模放置在光刻机的适当位置。
2. 曝光：当照明系统启动后，其产生的紫外线光将通过投影镜系统，将掩模上的图案映射到光刻胶上。
光通过曝光过程，使光刻胶在图案区域发生化学或物理变化，从而形成图案的映像。
3. 显影：在显影过程中，光刻胶上未光刻区域的部分将被溶解掉，而那些曝光后固化的光刻胶区域则得以保留。
4. 清洗：完成图案转移后，硅片需要进行清洗，以去除残留的光刻胶和任何其他杂质。
通过这些步骤，光刻机能够在硅片上形成高精度和高分辨率的微小图案。
它在集成电路制造中起着至关重要的作用，为现代科技和电子产品的发展提供了基础支持。
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* 光刻机发展路线图1
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* 光刻机发展路线图2
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光刻机简介
光 刻 机 三 巨 头
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光刻机原理
✓ 化学机械平坦化 ✓ 清洗
➢ 图形转移
✓ 光刻
➢ 测试及封装
✓ 测试 ✓ 封装
扩散炉 离子注入机 退火炉
氧化炉 CVD反应炉 溅射镀膜机 外延设备
湿法刻蚀机 反应离子刻蚀机
CMP抛光机 硅片清洗机
光刻机 涂胶显影设备
测试设备 划片机 键
➢光刻工艺的8个基本步骤
气相成底膜
JEIDA = Japan Electronic Industries Development Association
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光刻机重要评价指标
❖ CD Line width（线宽） ❖ Overlay（套刻精度） ❖ Field size（场尺寸） ❖ Throughput（生产率）
Y X
Wph
CD = Critical Dimension
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光刻机重要设计指标
Numerical Aperture of Projection Lens
Litho. Resolution (Lines/Spaces)
Image Size
Magnification Depth of Focus
➢ Wafer type:
✓ SEMI
✓ JEIDA
➢ Diameter：
✓ 8 inch - 200mm
✓ 12 inch – 300mm
➢ Notch：Y/N
✓ Flat edge length
➢ Clearance
✓ Round
✓ Flat
SEMI = Semiconductor Equipment and Materials International
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* 2006国际半导体技术路线图(ITRS)
原理研究 样机研发 产品量产 持续改进
光刻机简介
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光刻机简介
* 光刻机的作用 光刻机是微电子装备的龙头
技术难度最高 单台成本最大 决定集成密度 光刻机是源头中的龙头！
0.75~0.50
100nm
22mm8mm -0.25 0.60m (@130nm resolution) 0.50m (@100nm resolution)
Reticle pattern size
Exposure field size on wafer (max)
Scanning speed (max) reticle stage wafer stage
88mm128mm 22mm 32mm
1000mm/s 250mm/s
Exposure Field
32x4=128 8x4=32 Scan
32 8 Scan
22x4=88
Reticle
Z Y Projection Lens(-1/4x) X NA Wafer
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➢ 用金刚石锯，将芯棒切成薄圆片，即晶片(wafer)。
➢ 标准晶片尺寸和厚度为：
✓ 100mm (4”) x 500μm ✓ 150mm (6”) x 750 μm ✓ 200mm (8”) x 1mm ✓ 300mm (12”) x 750μm
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硅片
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光刻机简介
* 对准曝光工作流程
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光刻机简介
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光刻机简介
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Development of lithography system
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完整的IC制造工艺流程
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微电子制造装备概述
加法工艺
减法工艺 辅助工艺 图形转移工艺 后道工艺
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➢ 掺杂
✓ 扩散 ✓ 离子注入
➢ 薄膜
✓ 氧化 ✓ 化学气相淀积 ✓ 溅射 ✓ 外延
➢ 刻蚀
✓ 湿法刻蚀 ✓ 干法刻蚀
➢ 抛光及清洗
➢Reticle (Mask) ➢Wafer ➢Light ➢Lens ➢Photoresist
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光刻机原理
Image (on reticle)
die
Image (on wafer)
wafer
Cell
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硅片(wafer)
➢ 单晶硅芯棒直径可达300mm,长度可达30feet (9m)，重量可 达400kg。
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光刻工艺流程
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光刻机简介
➢ Lithography = Transfer the pattern of circuitry from a mask onto a wafer.
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曝光后烘焙
旋转涂胶
显影
软烘 对准和曝光
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坚膜烘焙 显影检查
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光刻与光刻机
➢ 对准和曝光在光刻机(Lithography Tool)内进行。 ➢ 其它工艺在涂胶显影机(Track)上进行。
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光刻机结构及工作原理
➢ 光刻机简介 ➢ 光刻机结构及工作原理
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* 微电子装备
光刻机简介
芯片设计能力
芯片制造与制造设备
芯片测试与测试设备
设备是信息产业的源头： 我们开发设备、设备制造芯片、芯片构成器件、器件改变世界！
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光刻机简介
* 摩尔定律 Intel 创始人之一摩尔1964年提出，大约每隔12个月： 1). 芯片能力增加一倍、芯片价格降低一倍； 2). 广大用户的福音、行业人员的噩梦。 芯片集成密度不断提升、光刻分辨率的不断提升！