在半导体芯片制造流程中,光刻是制作半导体芯片线路的关键制程,光刻工艺决定了半导体芯片线路的线宽,同时也决定了半导体芯片的性能和功耗。半导体芯片制程越先进,光刻设备便需要越精密复杂,因此光刻机被认为是半导体芯片产业中是最关键性的设备之一,各大芯片制造商每年的资本开支中就有30%~40%投入用在了光刻机上。
光刻机基本结构如下图所示,其工作原理跟照相机类似,不过它的底片是涂满光刻胶的硅片,各种电路图案经激光缩微投影曝光到光刻胶上,光刻胶的曝光部分与硅片进行反应,将其永久刻在硅片上。
光刻机基本结构
光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段,将光束透射过画着线路图的掩模,经物镜补偿各种光学误差,将线路图成比例缩小后映射到硅片上,不同光刻机的成像比例不同,有5:1,也有4:1。然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图(即芯片)。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、激光刻蚀等工序。
光刻机简易原理
光刻机发展较早,经过几十年的发展已经形成了激光直写光刻机、接触/接近式光刻机、投影光刻机等多种类型,光刻机类型如下图所示。
光刻机分类
根据所使用的光源的改进以及双工作台、沉浸式光刻等新型光刻技术的创新与发展,光刻机的发展一共可以分为5代,每次光源的改进都显着提升了光刻机的工艺制程水平,以及生产的效率和良率。
光刻机发展历程
资料来源:市场调研
目前最为先进的光刻机就是EUV(Extreme Ultra-violet)光刻机,它以波长为13.5nm纳米的极紫外光作为光源的光刻技术。根据瑞利公式(分辨率=k1·λ/NA,其中k代表工艺因子,λ表示波长,NA表示光学系统的数值孔径),这么短的波长可以提供极高的光刻分辨率。