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光刻机的发展历程及现状

发布时间: 2020-12-21

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光刻工艺的原理是:利用涂敷在衬底表面的光刻胶的光化学反应作用,将光罩上画好的电路图形信息从光罩上保真传输、转印到半导体材料衬底上,工作原理上就是一个放大的单反:
光刻主要分涂胶、光刻和显影三道工序,其中涂胶是通过涂胶机将光刻胶涂敷在衬底表面,接着使用光刻机对涂有光刻胶的衬底进行曝光,实现将电路图形信息从光罩保真传输、转印到衬底表面的目的,显影机对曝光衬底进行显影,去除或保留受到曝光后发生光化学反应的光刻胶:

光刻机分为无掩模光刻机和有掩模光刻机两种,被大众所致的ASML的深紫外光刻机和EUV光刻机等均为有掩模光刻机,所谓的掩模也称之为光罩,是一种可以选择性阻挡光、辐射或物质穿透的掩蔽模板,上面刻有电路图形。

无掩模光刻机中常见的是电子束光刻机和离子束光刻机,是一种利用计算机输入的地址和图形数据控制聚焦电子束在涂有感光材料的基板上直接绘制电路图形的设备。


光刻机发展简史—一代光刻机:接触式/接近式光刻机

光刻机总体经历了六个发展阶段。早期光刻机采用的是接触式光刻技术,通常晶圆置于一个手动控制水平位置和旋转的工作台上,操作者利用分立视场显微镜同时观察光罩和晶圆位置,并通过手动控制工作台位置来实现光罩与晶圆的对准。

晶圆与光罩对准后二者将被压紧,使得光罩与晶圆表面的光刻胶直接接触。移开显微镜物镜后,将压紧的晶圆与光罩移入曝光台进行曝光,光源发出的光经过透镜准直平行照射光罩,由于光罩与光刻胶直接接触,所以曝光后光罩图形按照1:1的比例转印至光刻胶上,原理与公章类似。

接触式光刻机具有分辨率高、精度好、曝光设备简单等优点,而且由于晶圆与光罩直接接触,减小了光的衍射效应,但是在接触过程中容易损伤和玷污光罩和晶圆上的光刻胶层,影响成品率和光罩寿命,因此主要用于小规模半导体制造,目前部分场合还在使用。


在70年代接近式光刻机逐渐发展成熟。相比接触式光刻机,接近式光刻机的光罩与晶圆上的光刻胶没有直接接触,而是留有充满氮气的间隙,间隙大小由氮气的气压决定。由于光罩与光刻胶没有直接接触,因此降低了光罩的损耗,同时降低了光刻中引入的缺陷,提高了成品率。在接近式光刻机中晶圆与光刻胶存在的间隙使得晶圆处于菲涅尔衍射区域,也因此限制了接近式光刻机分辨率的进一步提升,因此接近式光刻机主要用于3m以上的半导体。

由于一代光刻机的技术比较初级,类似于大号的胶片相机,因此在相机领域有技术积累的佳能和尼康在60年代末就进入光刻机领域, GCA和Kasper等公司也拥有一定的制造能力,这几家公司成为早期光刻机市场的玩家。
接触/接近式光刻机目前还活跃在半导体产业中,国外厂商中德国苏斯、奥地利EVG和中国电子科技集团45研究所等均有生产,比如45所生产的BG-401A光刻机就是一种真空接触式光刻机,分辨率1μm,主要用于4英寸及以下晶圆的中小规模半导体和SAW器件的单面对准及曝光工艺:

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