光刻对准和曝光
第14章光刻对准和曝光
第14章光刻：对准和曝光
NA/R/DOF
λ
365nm 365nm 193nm 193nm
2014-10-14
NA
0.45 0.60 0.45 0.60
R
486nm 365nm 257nm 193nm
集成电路工艺
DOF
901nm 507nm 476nm 268nm
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第14章光刻：对准和曝光
3.光刻设备
焦深
• 焦点周围的一个范围，在这个范围内图像连续地 保持清晰，这个范围被称为焦深(DOF-Depth of Focus) • 焦点是沿透镜中心出现最佳图像的点，焦深是焦 点上面和下面的范围。
• 焦点可能不是正好在光刻胶层中心，但是焦深应 该穿越光刻胶层上下表面。 • DOF＝λ/2(NA)2
2014-10-14 集成电路工艺 28
2014-10-14 集成电路工艺 2
第14章光刻：对准和曝光
1.提纲
• 1.概述
• 2.光学光刻 • 3.光刻设备 • 4.混合和匹配 • 5.对准和曝光质量测量
2014-10-14
集成电路工艺
3
第14章光刻：对准和曝光
1.概述
• 一个紫外光源
• 一个光学系统 • 一块由芯片图形组成的投影掩膜版 • 一个对准系统 • 一个覆盖光敏光刻胶的硅片
第14章光刻：对准和曝光
数值孔径
设备类型
反射式扫描投影光刻机 分布重复光刻机 步进扫描式光刻机
2014-10-14 集成电路工艺
数值孔径(NA)数值
0.25 0.60～0.68 0.60～0.68
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第14章光刻：对准和曝光
浸没式光刻技术
• 在32纳米技术节点乃至进一步向下延伸时将要求 193纳米浸没式光刻技术在一些领域，如高折射 率液体，高折射率光学镜头材料以及高折射率光 刻胶等方面取得突破性的进展
光刻机工作流程
光刻机工作流程光刻机是半导体制造中的关键设备之一，它在芯片制造过程中负责将芯片图形转移到硅片上。
光刻机的工作流程一般包括准备工作、光刻曝光、显影和清洗四个步骤。
首先是准备工作。
在进行光刻之前，需要将待处理的硅片放置在光刻机的台面上，并进行对准操作。
对准操作是通过将硅片上的标记与光刻机上的标记对准，以确保图形能够准确地传递到硅片上。
在对准完成后，还需要进行曝光参数的设置，如曝光时间、曝光能量等，以确保最终图形的质量。
接下来是光刻曝光。
在光刻曝光过程中，光刻机会使用紫外光源照射硅片表面。
首先，光刻机会将光源发出的紫外光经过一系列的光学元件进行聚焦，使光线能够准确地照射到硅片上。
然后，通过控制光刻机的掩膜和掩膜台的运动，使得光线可以按照预定的图案模式照射到硅片上。
在光线照射的过程中，硅片表面的光敏剂会发生化学反应，形成暴露和未暴露两种不同的区域。
然后是显影。
显影是将暴露和未暴露区域的差异显示出来的过程。
在显影过程中，光刻机会将硅片浸入显影液中。
显影液中的化学物质会与暴露区域的光敏剂发生反应，将其溶解掉。
通过控制显影时间，可以控制暴露区域的溶解程度，从而控制图形的形状和尺寸。
最后是清洗。
在显影完成后，还需要将硅片进行清洗，以去除显影液和其他污染物。
清洗过程中，光刻机会使用一系列的溶液和超声波等物理方法将硅片表面的污染物清除。
清洗完成后，硅片就可以进入下一道工序，继续进行后续的加工和制造。
总结起来，光刻机的工作流程包括准备工作、光刻曝光、显影和清洗四个步骤。
准备工作主要是对硅片进行对准和参数设置；光刻曝光过程中，通过紫外光照射，将图形传递到硅片上；显影过程中，通过显影液的作用，将暴露区域显示出来；最后，通过清洗，去除污染物，使硅片准备好进入下一道工序。
光刻机的工作流程是半导体制造中不可或缺的一环，对于芯片的制造和性能有着重要的影响。
光刻机的曝光对准误差分析与改善
光刻机的曝光对准误差分析与改善光刻技术作为集成电路制造过程中至关重要的步骤之一，扮演着“摄影师”的角色，通过将光线投射到光刻胶上，实现对电路图形的精细图案化。
然而，曝光对准误差成为影响最终产品质量的重要因素之一。
本文将深入探讨光刻机的曝光对准误差，分析其原因，并提出相应的改善方案。
一、曝光对准误差的原因分析光刻机的曝光对准误差问题涉及到多个因素，主要包括以下几个方面：1. 机械结构问题：光刻机内部的机械结构对曝光对准误差有着直接影响。
例如，步进机构的精度、刚性以及传动装置的精度等都会对光刻胶的对准产生影响。
2. 光学系统问题：光刻机的光学系统是曝光对准误差的另一个重要来源。
光源的稳定性、光学透镜系统的调节与精准度等都会对曝光对准误差造成一定程度的影响。
3. 温度变化：温度的变化会引起光刻胶和基板的热胀冷缩，从而导致曝光对准误差的变化。
温度变化引起的胶膜收缩问题是主要的误差来源之一。
4. 使用过程中的机械振动：在光刻机使用过程中，机械振动也会对曝光对准误差造成一定程度的干扰。
这可能是由于设备本身的振动、外部环境的振动等因素引起的。
二、改善方法和策略为了解决光刻机的曝光对准误差问题，下面提出一些可能有效的改善方法和策略：1. 优化机械结构：改善光刻机的机械结构，提升步进机构的精度和刚性，优化传动装置的性能。
通过提高机械结构的稳定性和精度，可以降低曝光对准误差。
2. 调整光学系统：光刻机的光学系统对曝光对准误差有着直接的影响。
因此，需要定期检查和维护光学系统，确保光源的稳定性，保持透镜系统的良好调节和精准度。
3. 控制温度变化：由于温度的变化会影响光刻胶和基板的热胀冷缩，因此需要通过恒温控制或者制定合理的温度控制方案来减小温度变化对曝光对准误差的影响。
4. 减小机械振动：通过改善光刻机的支撑结构、减少外部环境的振动等方式，可以有效降低使用过程中产生的机械振动，从而减小曝光对准误差。
总结：光刻机的曝光对准误差是影响集成电路制造质量的关键问题之一。
光刻机的曝光对准误差改善对光刻胶曝光的影响
光刻机的曝光对准误差改善对光刻胶曝光的影响光刻技术是一种重要的制造微电子芯片的工艺，在半导体行业具有十分关键的地位。
光刻机作为实现光刻技术的重要设备之一，其曝光对准误差的改善对于光刻胶曝光过程具有重要影响。
本文将探讨光刻机的曝光对准误差改善对光刻胶曝光的影响，并分析相关工艺因素及其效果。
一、光刻胶曝光过程介绍光刻胶是光刻技术中重要的材料，主要用于制造芯片中的微细结构。
曝光是光刻胶制程的关键步骤之一，其目的是将曝光光源的能量转化为化学反应，从而产生所需的光刻结构。
在光刻胶曝光过程中，光刻机的曝光对准误差对于最终的曝光结果具有重要影响。
二、光刻机曝光对准误差的改善在光刻机曝光过程中，对准误差的改善能够提高曝光的准确性和精度，从而获得更好的曝光效果。
以下是几种改善光刻机曝光对准误差的方法：1. 反射镜调整：光刻机中的反射镜是将光刻胶曝光光源反射到芯片上的重要组件。
通过对反射镜的调整，可以减小光路中的误差和偏差，提高光源的对准度。
2. 校准系统：光刻机中的校准系统能够对曝光光源进行准确的校准，实时监测曝光对准误差，并进行误差的补偿。
通过校准系统，可以减小光刻机中误差的积累，提高曝光的精度。
3. 高精度平台：光刻机的平台是支持芯片进行曝光的基础，其稳定性和精度对曝光效果具有重要影响。
采用高精度平台可以减小位置误差，提高曝光的准确性。
三、工艺因素及效果分析除了光刻机自身的改善措施外，光刻胶曝光过程中的一些工艺因素也会影响光刻机的曝光对准误差改善效果：1. 光刻胶特性：光刻胶的粘度、抗流淌性、光敏度等特性会影响曝光的结果。
选择具有良好特性的光刻胶，并进行合适的预处理，可以提高曝光效果。
2. 曝光光源：曝光光源的强度、波长和稳定性等也会对曝光效果产生影响。
选择合适的曝光光源，并对其进行恰当的调整和校准，能够改善曝光对准误差。
3. 曝光时间与能量：曝光时间和能量的选择对曝光效果具有直接影响。
通过合理设置曝光时间和能量，可以最大程度地减小曝光对准误差。
详解半导体的光刻工艺全过程
详解半导体的光刻工艺全过程光刻工艺过程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、检测等工序。
1、硅片清洗烘干（Cleaning and Pre-Baking）方法：湿法清洗＋去离子水冲洗＋脱水烘焙（热板150～2500C,1～2分钟，氮气保护）目的：a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；b、除去水蒸气，是基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性（对光刻胶或者是HMDS-〉六甲基二硅胺烷）。
2、涂底（Priming)方法：a、气相成底膜的热板涂底。
HMDS蒸气淀积，200～2500C,30秒钟；优点：涂底均匀、避免颗粒污染；b、旋转涂底。
缺点：颗粒污染、涂底不均匀、HMDS用量大。
目的：使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。
3、旋转涂胶（Spin-on PR Coating）方法：a、静态涂胶（Static）。
硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂（原光刻胶的溶剂约占65～85%,旋涂后约占10～20%）；b、动态（Dynamic）。
低速旋转（500rpm_rotation per minute）、滴胶、加速旋转（3000rpm）、甩胶、挥发溶剂。
决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：光刻胶的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻胶的厚度越薄；旋转速度，速度越快，厚度越薄；影响光刻胶厚度均运性的参数：旋转加速度，加速越快越均匀；与旋转加速的时间点有关。
一般旋涂光刻胶的厚度与曝光的光源波长有关（因为不同级别的曝光波长对应不同的光刻胶种类和分辨率）：I-line最厚，约0.7～3μm；KrF的厚度约0.4～0.9μm；ArF的厚度约0.2～0.5μm。
4、软烘（Soft Baking）方法：真空热板，85～120℃,30～60秒；目的：除去溶剂（4～7%）；增强黏附性；释放光刻胶膜内的应力；防止光刻胶玷污设备；边缘光刻胶的去除（EBR，Edge Bead Removal）。
光刻机工作原理
光刻机工作原理
光刻机是一种使用光学原理进行微影的设备，它主要是用于半导体芯片制造中的电路图案的转移。
下面将介绍光刻机的工作原理。
光刻机的工作原理可以简单地分为以下几个步骤：底片对准、曝光、显影和清洗。
首先是底片对准步骤。
光刻机中的对准系统会利用光学和机械技术，将底片上已有的图案与掩模对齐，确保曝光时能够达到精确的位置。
接下来是曝光步骤。
在光刻机中，有一个叫做光源的部件会发出紫外线或可见光。
这些光会通过一个掩模，掩模上有需要转移的电路图案。
光线通过掩模后，会聚焦到一个特殊的光刻胶层上，形成一个暴露的区域。
然后是显影步骤。
光刻胶层中，被曝光过的区域与未曝光过的区域化学性质不同。
在显影过程中，将光刻胶层浸泡在特定的溶液中，曝光过的区域会被显影剂溶解掉，而未曝光过的区域仍然保留着。
最后是清洗步骤。
在显影结束后，需要将光刻胶层上的未曝光区域进行清除，使底片上只剩下暴露区域的图案。
这个步骤通常使用化学溶液或喷洗的方式来进行。
总的来说，光刻机是通过底片对准、曝光、显影和清洗这几个
步骤，将掩模上的电路图案转移到底片上的过程。
这个过程需要高精度的机械部件和光学系统的支持，以及特殊的化学材料来完成。
通过光刻机，可以实现微细电路图案的制造，为半导体芯片制造提供了重要的工艺技术。
光刻主要步骤
光刻工艺主要步骤
1. 基片前处理
为确保光刻胶能和晶圆表面很好粘贴，形成平滑且结合得很好的膜，必须进行表面准备，保持表面干燥且干净，
2. 涂光刻胶
涂胶的目标是在晶圆表面建立薄的、均匀的，并且没有缺陷的光刻胶膜。
3. 前烘(软烘焙)
前烘的目的是去除胶层内的溶剂，提高光刻胶与衬底的粘附力及胶膜的机械擦伤能力。
4. 对准和曝光(A＆E)
保证器件和电路正常工作的决定性因素是图形的准确对准，以及光刻胶上精确的图形尺寸的形成。
所以，涂好光刻胶后，第一步是把所需图形在晶圆表面上准确定位或对准。
第二步是通过曝光将图形转移到光刻胶涂层上。
5. 显影
显影是指把掩膜版图案复制到光刻胶上。
6. 后烘(坚膜)
经显影以后的胶膜发生了软化、膨胀，胶膜与硅片表面粘附力下降。
为了保证下一道刻蚀工序能顺利进行，使光刻胶和晶圆表面更好地粘结，必须继续蒸发溶剂以固化光刻胶。
7. 刻蚀
刻蚀是通过光刻胶暴露区域来去掉晶圆最表层的工艺，主要目标是将光刻掩膜版上的图案精确地转移到晶圆表面。
8. 去除光刻胶
刻蚀之后，图案成为晶圆最表层永久的一部分。
作为刻蚀阻挡层的光刻胶层不再需要了，必须从表面去掉。
光刻工艺步骤介绍
光刻工艺步骤介绍光刻工艺是一种重要的微电子制造技术，用于将电子芯片的图案转移至硅片上。
下面我将详细介绍光刻工艺的步骤。
第一步：准备硅片在光刻工艺开始之前，首先需要准备好硅片。
这包括清洗硅片表面以去除任何杂质，并在其表面形成一层薄的光刻胶。
光刻胶一般是由聚合物（如光刻胶），溶剂和添加剂组成的混合物。
第二步：涂覆光刻胶准备好的硅片放置在旋涂机上，然后将光刻胶涂覆在硅片表面。
旋涂机会以高速旋转硅片，使光刻胶均匀地覆盖在整个表面上。
涂覆的光刻胶会在硅片上形成一层均匀的薄膜。
第三步：预烘烤涂覆光刻胶后，硅片需要进行预烘烤。
预烘烤的目的是将光刻胶中的溶剂挥发掉，使光刻胶更加稳定。
预烘烤是在较低的温度下进行的，一般在90-100°C之间。
第四步：对准和曝光在对准和曝光步骤中，使用光刻机将芯片的图案转移到光刻胶层上。
首先，在光刻机的对准系统下，将硅片和图案的掩膜进行对准。
对准系统使用电子束或激光进行确切的对准。
一旦对准完成，光刻机会使用紫外线光源照射光刻胶。
光刻胶的激发使其发生化学反应，形成了曝光图案。
第五步：后烘烤曝光完成后，硅片需要进行后烘烤。
后烘烤的目的是将光刻胶中的曝光图案进行固化，并增强其耐久性。
后烘烤的温度和时间会根据光刻胶的类型和用途而有所不同。
第六步：显影显影是将曝光图案从光刻胶中暴露出来的步骤。
使用化学溶液将未曝光的光刻胶部分溶解掉，只留下曝光图案。
这一步骤在洗涤机中进行，确保均匀地清洗掉不需要的光刻胶部分。
第七步：清洗显影完成后，硅片需要通过化学溶液进行清洗，以去除任何剩余的光刻胶和杂质。
清洗过程往往需要使用多种溶液和机械清洗的步骤，以确保硅片表面干净。
第八步：测量和检验最后一步是对光刻结果进行测量和检验。
使用显微镜、扫描电子显微镜（SEM）等设备，检查光刻图案是否与设计要求相符。
测量和检验可以帮助确认制造过程中的任何错误或缺陷，以便及时进行修正。
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第14章光刻：对准和曝光
数值孔径
• 一个透镜能够俘获一些衍射光。透镜收集 衍射光的能力被称做透镜的数值孔径 (numerical aperture,NA)。
• 对于一个给定的透镜，NA测量透镜能够接 收多少衍射光，并且把衍射光会聚到一点 成像。
• NA越大就能把更多的衍射光会聚到一点。
2019/10/23
2019/10/23
集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
光刻机
• 分布重复光刻机(stepand-repeat aligner)
• 光刻机(aligner) • 步进光刻机(stepper)
2019/10/23
集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
步进光刻机的目标
使硅片表面和石英掩膜版对准并聚集 通过对光刻胶曝光，把高分辨率的投影掩 膜版上图形复制到硅片上 在单位时间内生产出足够多的符合质量规 格的硅片
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第14章光刻：对准和曝光
曝光光源
• 汞灯
• 准分子激光
2019/10/23
集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
汞灯
• 高压汞灯作为紫外光源被使用在所有常规 的I线步进光刻机上。
• 电流通过装有氙汞气体的管子产生电弧放 电。这个电弧发射出一个特征光谱，包括 240nm到500nm之间有用的紫外辐射。
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第14章光刻：对准和曝光
光强和曝光剂量
• 光强——单位面积的功率(mW/cm2)，光强 在光刻胶的表面进行测量。
• 曝光剂量——光强乘以曝光时间，表示光 刻胶表面获得的曝光能量。
2019/10/23
集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
光刻胶的吸收问题
• 光刻胶树脂对入射辐射过多的吸收是不希 望的。
2019/10/23
集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
1.提纲
• 1.概述 • 2.光学光刻 • 3.光刻设备 • 4.混合和匹配 • 5.对准和曝光质量测量
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
1.概述
• 一个紫外光源 • 一个光学系统 • 一块由芯片图形组成的投影掩膜版 • 一个对准系统 • 一个覆盖光敏光刻胶的硅片
第14章光刻：对准和曝光
集成电路工艺 第14章光刻：对准和曝光
第14章光刻：对准和曝光
目标
• 解释光刻中对准和曝光的目的 • 描述光学光刻中光的特性及光源的重要性 • 解释分辨率，描述它的重要参数并讨论计算方法 • 论述五代用于对准和曝光的设备 • 描述投影掩膜版，如果制造，及在精细光刻中的
应用 • 论述用于短波长光刻的光学增强技术 • 解释光刻中对准是怎样获得的
• 光的实质是能被人眼看到的电磁波。 • 光可用波长和频率来描述。 • v=λf
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
光波的干涉
• 波本质上是正弦曲线。 • 任何形式的正弦波只
要有相同的频率就能 相互干涉。
• 相长干涉：两列波相 位相同彼此相加
• 相消干涉：两列波相 位不同彼此相减
集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
数值孔径
设备类型
数值孔径(NA)数值
反射式扫描投影光刻机
0.25
分布重复光刻机
0.60～0.68
步进扫描式光刻机
0.60～0.68
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
浸没式光刻技术
• 在32纳米技术节点乃至进一步向下延伸时将要求 193纳米浸没式光刻技术在一些领域，如高折射 率液体，高折射率光学镜头材料以及高折射率光 刻胶等方面取得突破性的进展
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
常用准分子激光器
材料 KrF
波长 最大输出
频率
脉冲长度 CD分辨率
(nm) （毫焦每脉冲）（脉冲每秒） （ns） （μm ）
248 300~1500
500
25
≤0.25
ArF 193 175~300
400
15
≤0.18
F2 157
6
10
20
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
光学滤光器
• 滤光器利用光的干涉阻止不需要的入射光， 通过反射或干涉来获得一个特定波长。
• 滤光器通常由玻璃制成，玻璃上面有一层 或多层薄涂层。
• 涂层的类型和厚度决定了什么波长的光会 相消干涉而阻止进入玻璃。
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集成电路工艺
• 如果光刻胶吸收过多，光刻胶底部接受的 光强就会比顶部的少很多，这个差异导致 图形测墙倾斜。
• 要获得垂直测墙图形，光刻胶必须只吸收 入射辐射的一小部分，一般<20%
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
准分子激光
• 主要优点：可在248n深紫外及以下波长提 供较大光强。
• 准分子是不稳定分子，由惰性气体原子和 卤素构成，如ArF，这里分子只存在于准稳 定激发态。
2019/10/23
集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
汞灯强度峰
UV光波长(nm)
描述符
CD分辨率(μm )
436
G线
0.5
405
H线
0.4
365
Hale Waihona Puke I线0.35248
深紫外(DUV)
0.25
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
光的波长与工艺
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集成电路工艺
≤0.15
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
透镜材料
• 透镜传统上由玻璃制成。 • 对于波长248nm的深紫外光，一种合适的
透镜材料是熔融石英，它在深紫外波长范 围有较少的光吸收
• 在193nm深紫外和157nm深紫外波长，可 采用氟化钙(CaF2)
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
光的衍射
• 光在传播路径中，遇到一 个小孔或缝隙时，产生偏 离直线传播的现象称为光 的衍射。
• 光的衍射和光刻密切相关。 因为掩膜版上有细小图形 并且间距很窄，衍射图样 夺走了曝光能量，并使光 发射，导致光刻胶上不要 曝光的区域被曝光。
2019/10/23
集成电路工艺
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• 浸没式光刻技术的魅力在于将折射率大于1的水介 于镜头和硅片之间，从而赋予光刻设备更高的数 值孔径，由此也进一步提升了193纳米光刻技术 的分辨率极限。
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
2.光学光刻
• 光学光刻一直是不断缩小芯片特征尺寸的 主要限制因素。
• 光刻的长命归功于设备和工艺的改进。
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
光
• 在光学光刻中，需要一个光源来把版图投 影到光刻胶上并引起光化学反应。