光刻机结构及工作原理
光刻机结构及工作原理(86页精品培训教程)
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* 光刻机发展路线图1
光刻机简介
Prof. Shiyuan Liu
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* 光刻机发展路线图2
光刻机简介
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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
光刻机的原理与操作流程详解
光刻机的原理与操作流程详解光刻技术作为半导体工业中至关重要的工艺，在集成电路制造中扮演着至关重要的角色。
光刻机作为实现光刻技术的关键设备，被广泛应用于芯片的制造过程中。
本文将详细介绍光刻机的原理与操作流程，以帮助读者更好地理解和了解光刻机的工作原理。
一、光刻机的原理光刻机是一种利用光能进行图案转移的装置。
它通过使用光敏感的光刻胶将图案投射到硅片或光刻板上，实现超高精度的图案复制。
光刻机的主要原理包括光源、掩模、透镜系统和光刻胶。
1. 光源：光刻机所使用的光源通常为紫外光源，如汞灯或氙灯。
它们产生的紫外光能够提供高能量的辐射，以便更好地曝光光刻胶。
2. 掩模：掩模是光刻机中的关键元件，它是一种具有微细图案的透明光学元件。
掩模上的图案会通过光学系统和光刻胶传递到硅片上。
掩模的制作过程需要通过电子束、激光或机械刻蚀等技术实现。
3. 透镜系统：透镜系统主要用于控制光束的聚焦和对准，确保图案的精确转移。
光刻机中常用的透镜系统包括凸透镜和反射式透镜。
4. 光刻胶：光刻胶是光刻机中的光敏材料，它的主要作用是在曝光后进行图案的传递。
光刻胶的选择需要根据不同的曝光要求和工艺步骤来确定。
光刻机利用以上原理，通过精确的光学系统和光敏材料，将图案高度精细地转移到硅片上，实现芯片制造中的微细加工。
二、光刻机的操作流程光刻机的操作流程主要包括准备工作、图案布置、曝光和清洗等步骤。
下面将详细介绍这些步骤。
1. 准备工作：首先，操作人员需要检查光刻机的状态，确保所有设备和系统正常运行。
接着，将要制作的掩模和硅片进行清洁处理，确保表面干净并去除尘埃。
2. 图案布置：在光刻机中，需要将掩模和硅片进行对准，并确定需要曝光的区域。
通过对准仪器和软件的辅助，操作人员可以调整和校准掩模和硅片的位置，以确保图案的精确转移。
3. 曝光：一旦图案布置完成，操作人员可以启动光刻机进行曝光。
曝光过程中，光源会照射在掩模上，通过透镜系统聚焦后，将图案传递到光刻胶上。
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
03光刻机结构及工作原理103光刻机结构及工作原理1光刻机（Photolithography）是一种在半导体制造过程中，用于将图案转移至硅片（Wafer）上的工艺技术。
它是半导体工业中至关重要的一环，因为它能够实现微细的图案精确地转移到硅片上，从而实现集成电路的制造。
光刻机的结构大致可以分为以下几个主要部分：光源系统、掩膜对准系统、光学系统（Projection Optics System）、控制系统和硅片传送系统。
光源系统是光刻机的核心部分之一，它提供了高亮度且高均匀度的光源。
常用的光源有紫外线光源、光纤激光器等。
光源通过透镜系统聚焦，经过掩膜（Mask）上的图案形成光强分布，然后通过投影光学系统将图案投射到硅片上。
掩膜对准系统用于确保掩膜与硅片的对准精度，它能够精确地调整掩膜与硅片之间的相对位置。
对准系统仅需保证掩模对准精度即可，这是因为相对于掩膜，硅片上的图案会被按比例放大，即投影比率。
例如，如果投影比率为 5：1，那么掩膜上的 1mm 的图案会在硅片上形成 5mm 的图案。
光学系统是负责将经过掩膜的图案放大并转移到硅片上。
它通常由一套透镜组成，将形成的光强分布进行扩散和透射，以实现高精度的图案分辨率和投影比率。
光学系统的设计和制造对于光刻机的分辨率和成像质量至关重要。
控制系统是用于控制整个光刻机运行的关键部分。
它能够精确地控制光源的开关，对准系统的运动和调整，以及图案的转移和硅片的传送等。
控制系统通过与光学系统和硅片传送系统的协调工作，以实现高精度和高效率的光刻过程。
硅片传送系统是将硅片从一个位置传送到另一个位置的部分。
它通常由传送装置和夹具组成，用于控制和运动硅片。
在光刻过程中，硅片会在不同的工序和设备之间传送，因此传送系统的稳定性和精确性对于整个工艺的成功至关重要。
光刻机的工作原理如下：首先，将准备好的掩膜放置在掩膜对准系统上，确保其与硅片的对准精度。
然后，打开光源系统，通过光学系统将图案投射到硅片上。
euv光刻机的内部结构原理
euv光刻机的内部结构原理EUV光刻机的内部结构原理一、引言EUV（Extreme Ultraviolet）光刻技术是一种高精度、高分辨率的半导体制造技术，被广泛应用于微电子行业。
而EUV光刻机作为EUV光刻技术的关键设备，其内部结构的设计和原理是实现高精度光刻的基础。
本文将介绍EUV光刻机的内部结构原理。
二、光源系统EUV光刻机使用的是波长为13.5纳米的极紫外光作为光刻光源。
光源系统是EUV光刻机的关键部分，主要由高功率CO2激光器、预脉冲系统、脉冲放大器和EUV辐射源组成。
首先，高功率CO2激光器产生激光束，然后通过预脉冲系统调整激光的时间和空间特性，接着进入脉冲放大器进行脉冲放大，最后通过EUV辐射源产生所需的13.5纳米的极紫外光。
三、光学系统光学系统是EUV光刻机内部的核心部分，主要由反射镜、光罩和投影镜组成。
光罩是半导体芯片的投影模板，上面绘制有芯片的图形图案。
当EUV光照射到光罩上时，通过反射镜的反射，将图案投射到硅片上。
投影镜则起到聚焦和放大的作用，确保图案的精确复制。
四、光学校正系统光学校正系统是EUV光刻机中用于校正光学系统误差的关键部件。
由于极紫外光的波长较短，容易受到光学系统的像差等误差影响，因此需要对光学系统进行校正。
光学校正系统主要包括光学校正板和调制器。
光学校正板上绘制有一系列校正图案，利用调制器对光学系统进行校正，使得光刻机能够获得更高的分辨率和精度。
五、控制系统控制系统是EUV光刻机的重要组成部分，用于控制光刻机的运行和各个部件之间的协调工作。
控制系统包括运动控制系统、曝光控制系统和温度控制系统。
运动控制系统负责控制投影镜和光罩的运动，以实现图案的准确投影。
曝光控制系统用于控制光源的亮度和曝光时间，确保光刻过程的稳定性和一致性。
温度控制系统则用于控制光刻机内部的温度，以保证光学系统的稳定运行。
六、真空系统EUV光刻机工作时需要在真空环境下进行，以避免极紫外光在空气中的吸收和散射。
光刻机的工作原理
光刻机的工作原理
光刻机是一种制造微电子器件的重要设备，其工作原理是利用光学系统将设计好的电路图案投影到光刻片上，通过化学反应将图案转移到硅片上，形成微细的电路结构。
光刻机的工作原理主要包括以下几个步骤：
1. 排版：将电路设计信息输入到计算机中，经过排版软件的处理，将电路图案转换为光刻片上的图案。
2. 制作掩膜：根据计算机处理后的电路图案，制作掩膜。
掩膜是用来遮挡相应区域的光线，一般使用透明的玻璃或石英板制作而成。
3. 照明系统：光刻机的照明系统采用紫外线光源，将光线通过一系列镜片、光阑等光学元件进行整形，使其能够均匀、平行地照射到光刻片上。
4. 投影系统：投影系统是光刻机中最关键的部分，它将光线通过透镜，将掩膜上的图案缩小投影到光刻片上。
投影系统通常采用光学投影或反射投影的方式进行图案的投影。
5. 曝光：在光刻片上照射时，被曝光的区域会发生化学反应，使得该区域的光刻片发生改变。
具体的曝光方式有直接曝光和间接曝光两种方式。
6. 显影：经过曝光后，将光刻片放入显影液中，未曝光的区域
将被蚀刻掉，形成微细的电路结构。
7. 清洗和检测：经过显影后，需要对光刻片进行清洗以去除残留的显影液。
清洗后，使用显微镜或扫描电子显微镜等设备进行检测，以保证电路的质量。
通过以上几个步骤，光刻机能够高效、精确地将电路图案转移到硅片上，实现微电子器件的高精度制造。
光刻机工作原理
光刻机工作原理光刻机是一种高精度的半导体制造设备。
它使用光学系统生成图案，然后将其映射到硅片上，从而创建微电子器件。
光刻机的工作原理是利用紫外线曝光板制造晶圆，以确定芯片上的细节。
本文将详细介绍光刻机的工作原理。
首先，我们将解释光刻机的构造和各个组成部分的作用。
然后，我们将探讨光刻机的工作流程，包括曝光和显影。
最后，我们将讨论光刻机在半导体制造中的作用和应用。
一、光刻机的构造和各部分的作用光刻机具有复杂的结构和精密的机制，主要由以下几个组成部分构成：1.光源和光路系统：光刻机使用紫外线光源，通常以氙气为基础，发射具有短波长的光。
光源的光线需要通过一系列镜头和反射镜进行反射和聚焦，以确保光线照射到硅片的特定区域。
2.掩模：掩模是光刻机中最重要的部分之一。
掩模是一种透明的石英板，上面印有要复制到芯片的图形。
当紫外线通过掩模时，在芯片上形成了与掩模相同的图案。
3.对位系统：对位系统是一个用于将芯片和掩模对准的机制。
它使用特殊的标志标记硅片和掩模上的区域，并移动它们以确保它们保持对准状态。
4.支持结构：光刻机中的支撑结构主要是用于稳定硅片和掩模的基础。
它们为系统提供稳定性和可重复性，确保每个芯片都具有相同的模式。
二、光刻机的工作流程光刻机是如何制造芯片的呢？其核心工作流程包括曝光和显影两个过程。
具体内容如下：1. 曝光曝光是光刻机中的第一个过程。
它涉及使用紫外线将图案投影到硅片的特定区域。
这个过程具有高度的精度和复杂度。
首先，掩模被放置在硅片顶部，并进行对齐以确保它们在正确的位置。
掩模上的图案确定点光源覆盖的硅片区域。
然后，该区域的光感应物购置成了化学反应。
在光感受区域内，会形成一个暂时的化学反应区域，从而使芯片上图案的形状得到复制。
2. 显影显影是第二个过程，它涉及在硅片上形成所需的图形。
它确保硅片上的所有非所需材料都被去除，只有所需的图形留下。
在显影过程中，硅片被放入化学物质中，会使显影化学物质出现反应，并且只留下所需的芯片图案。
光刻机的原理及光刻过程简介
光刻机的原理及光刻过程简介光刻机（Photolithography Machine）是一种用于半导体制造和微电子工艺中的关键设备，主要用于制造芯片、集成电路和其他微细结构的制作过程。
下面是光刻机的技术原理和实现光刻过程的简单介绍：1.掩膜制备：首先，需要准备一个称为掩膜（Photomask）的特殊玻璃板。
掩膜上绘制了要在芯片上形成的图案，类似于蓝图。
这些图案决定了芯片的电路布局和结构。
掩膜制备的一些关键要点和具体细节：1.设计和绘制掩膜图案：根据芯片的设计需求，使用计算机辅助设计（CAD）软件或其他工具绘制掩膜图案。
这些图案包括电路布局、晶体管、连接线等微细结构。
2.掩膜材料选择：选择适合的掩膜材料，通常是高纯度的二氧化硅（SiO2）或氧化物。
材料选择要考虑到其透光性、耐用性和成本等因素。
3.光刻胶涂覆：在掩膜材料的表面涂覆一层光刻胶。
光刻胶是一种感光性的聚合物材料，可以在光刻过程中发生化学或物理变化。
4.掩膜图案转移：使用光刻机将掩膜图案投射到光刻胶上。
光照射使得光刻胶在照射区域发生光化学反应或物理改变，形成图案。
5.显影和清洗：将光刻胶涂层浸入显影液中，显影液会溶解或去除未被光照射的光刻胶部分，留下期望的图案。
随后进行清洗，去除显影液残留。
6.检验和修复：对制备好的掩膜进行检验，确保图案的精度和质量。
如果发现缺陷或损坏，需要进行修复或重新制备掩膜。
掩膜制备的关键要点在于设计准确的图案、选择合适的掩膜材料、确保光刻胶涂覆的均匀性和控制光照射过程的精确性。
制备高质量的掩膜对于确保后续光刻过程的精确性和芯片制造的成功非常重要。
2.光源和光学系统：光刻机使用强光源（通常是紫外光）来照射掩膜上的图案。
光源会发出高能量的光线，并通过光学系统将光线聚焦成细小的光斑。
光源和光学系统的一些关键要点和具体细节：1.光源选择：光刻机通常使用紫外光（UV）作为光源，因为紫外光的波长比可见光短，能够提供更高的分辨率和精度。
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硅片
➢ 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 JEIDA = Japan Electronic Industries Development Association
Photodiode
ArF Excimer Laser Beam Expander CL1 CL2 M1
Safety shutter M3
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
* 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！
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！
* 曝光系统
光刻机结构：曝光系统
激光器/汞灯 提供光源
照明系统 均匀照明掩模
投影物镜 高分辨率成像
光刻机结构：曝光系统
* 曝光系统总体结构
光刻机结构：曝光系统
* 曝光系统工作原O理ptical Arrangement of Exposure System
Energy Detection Unit
* 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
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！
光刻工艺流程
光刻机简介
➢ Lithography = Transfer the pattern of circuitry from a mask onto a wafer.
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
完整的IC制造工艺流程
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
➢ 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
✓ 化学机械平坦化 ✓ 清洗
➢ 图形转移
✓ 光刻
➢ 测试及封装
✓ 测试 ✓ 封装
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
光刻机重要设计指标
Numerical Aperture of Projection Lens
Computer Console
Exposure Column (Lens)
Wafer
光刻机总体结构
照明系统 掩模台系统 自动对准系统 调平调焦测量系
统 框架减振系统
环境控制系统 掩模传输系统 投影物镜系统 硅片传输系统
工件台系统
整机控制系统
整机软件系统
光刻机结构及工作原理
➢ 曝光系统 (照明系统和投影物镜) ➢ 工件台掩模台系统 ➢ 自动对准系统 ➢ 调焦调平测量系统 ➢ 掩模传输系统 ➢ 硅片传输系统 ➢ 环境控制系统 ➢ 整机框架及减振系统 ➢ 整机控制系统 ➢ 整机软件系统
22x4=88
Reticle
Z Y Projection Lens(-1/4x) X NA Wafer
22
* 光刻机 (汞灯)
光刻机总体结构
* 光刻机 (激光器)
光刻机总体结构
Step and Scan System
Reticle (Mask)
193 nm Excimer Laser Source
光刻机简介
* 对准曝光工作流程
光刻机简介
光刻机简介
Development of lithography system
* 光刻机发展路线图1
光刻机简介
Байду номын сангаас
* 光刻机发展路线图2
光刻机简介
光刻机简介
光 刻 机 三 巨 头
光刻机原理
➢Reticle (Mask) ➢Wafer ➢Light ➢Lens ➢Photoresist
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 键合机
光刻工艺流程
➢光刻工艺的8个基本步骤
气相成底膜
曝光后烘焙
旋转涂胶
显影
软烘 对准和曝光
坚膜烘焙 显影检查
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。
Litho. Resolution (Lines/Spaces)
Image Size
Magnification Depth of Focus
0.75~0.50
100nm
22mm8mm -0.25 0.60m (@130nm resolution) 0.50m (@100nm resolution)
Reticle pattern size
光刻机原理
Image (on reticle)
die
Image (on wafer)
wafer
Cell
硅片(wafer)
➢ 单晶硅芯棒直径可达300mm,长度可达30feet (9m)，重量可 达400kg。
➢ 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