1.接触式光刻机

20世纪70年代的光刻只能加工3～5 μm线宽，4～5 inch的Wafer。如canon，采用紫外线光源。设备简单，产量高，一次曝光完成，掩膜版的损坏、污染、缺陷高，分辨率较低。接触式光刻工艺如图5.23所示。

图5.23　接触式光刻工艺

2.接近式光刻机

掩膜版和硅片表面光刻胶间距为2.5～25 μm，能缓解颗粒污染和损伤，紫外光受空气间隙发散影响，分辨率受限，为2～4 μm。接近式光刻机上的边缘衍射和表面反射如图5.24所示。

图5.24　接近式光刻机上的边缘衍射和表面反射

3.扫描投影光刻机

20世纪80年代发明了1∶1投影式光刻机，紫外光通过狭缝聚焦在硅片上获得均匀光源，可加工1～2 μm线宽，5～6 inch Wafer，代表产品有美国的Ultrotec。扫描投影光刻工艺如图5.25所示。

图5.25　扫描投影光刻工艺

4.分步重复光刻机

20世纪80年代后期出现了Wafer Stepper，为10∶1或5∶1，使芯片加工进入了0.8 μm的时代。光刻精度高，对硅片的平整度和几何形状变化的补偿较容易。为提高硅片处理速度，镜头尺寸大、曝光区域大，造成像差大，图像畸变。代表产品有：美国的GCA，日本的Canon、Nikon及荷兰的ASML。分步重复光刻机如5.26所示。

图5.26　分步重复光刻

5.步进扫描光刻机

版上图形与片上图形比为4∶1，掩膜版制造更容易和精确，用较小的透镜尺寸获得较大的曝光场从而获得较大的芯片尺寸，扫描过程调节聚焦，透镜缺陷、硅片平整度变化自动补偿。步进光刻原理如图5.27所示，NSR2005 i9c型光刻机如图5.28～5.30所示。

图5.27　步进光刻原理

图5.28　NSR2005 i9c型NIKON光刻机（步进式）

图5.29　NSR2005 i9c型NIKON光刻机光刻关键尺寸SEM照片1

图5.30　NSR2005 i9c型NIKON光刻SEM照片CD-460 nm

6.改进光刻技术和超分辨光刻机

1）光学邻近修正

图5.31　OPC光刻技术

2）极紫外光刻技术

极紫外光刻技术示意图如图5.32所示。

图5.32　极紫外光刻技术示意图

3）X-ray光刻技术

X-ray 光掩膜示意图如图5.33所示。(www.daowen.com)

图5.33　X-ray光掩膜示意图

4）离子束投影光刻技术（IPL）

离子束投影光刻技术工艺如图5.34所示。

图5.34　IPL光刻技术工艺

5）超分辨光刻

2018年11月29日，国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”通过验收。该光刻机由中国科学院光电技术研究所研制，光刻分辨力达到22 nm，结合双重曝光技术后，未来还可用于制造10 nm级别的芯片。

图5.35　成品IC内的结构

任务二学习成果评价

以团队小组为单位完成任务，以学生个人为单位实行考核。

本模块知识小结

本模块主要介绍了光刻机和工艺设备，在任务中介绍了光刻机分类，光刻机总体结构和原理知识，光刻技术的三要素（光刻胶、掩膜版和光刻机）。学习了光刻中的光学知识，还学习了掩膜板/光罩、光刻胶PR、光刻机光源等知识。

现场典型工作任务案例教学

模块五测评题

1.什么是硅片，什么是衬底，什么是芯片？

2.列出提高微芯片制造技术相关的三个重要趋势，并简要描述每个趋势。

3.什么是芯片的关键尺寸，这种尺寸为何重要？

4.什么是摩尔定律，它预测了什么？

5.为什么要用单晶进行硅片制造？

6.列举硅片的七种质量要求。

7.列出芯片厂中6个不同的生产区域并对每一个区域做简单的描述。

8.确定有光刻胶覆盖硅片的三个生产区域。

9.列出热氧化物的硅片制造的六种用途，并给出各种用途的目的。

10.如果热生长氧化层厚度为2 000 A，那么Si消耗多少？

11.什么是快速热处理，相比于系统炉其6大优点是什么？

12.列出沉积的5种主要技术。

13.什么是LOCOS（写中英文全称）？

14.解释负性和正性光刻的区别？

15.列出光刻的8个步骤，并对每一步做出简要解释。

16.光学光刻技术的改进有哪些方面？

17.列举下一代光刻技术中4种正在研发的光刻技术。

模块五学习总结报告