一文看懂asml光刻机工作原理及基本构造.doc
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1、一文看懂asml光刻机工作原理及基本构造在半导体芯片制造设备中,投资最大、也是最为关键的是光刻机,光刻机同时也是精度与难度最高、技术最为密集、进步最快的一种系统性工程设备。光学光刻技术与其它光刻技术相比,具有生产率高、成本低、易实现高的对准和套刻精度、掩模制作相对简单、工艺条件容易掌握等优点,一直是半导体芯片制造产业中的主流光刻技术。目前,国际上半导体芯片制造生产线上的主流光刻设备是248nm(KrF)准分子激光投影光刻机,并正在向193nm(ArF)准分子激光投影光刻机过渡。荷兰ASML公司作为全球三大光刻机集成生产商之一,坚持不懈地进行技术创新以增强其竞争力,在全球光刻机销售市场上居于领先
2、地位。asml光刻机工作原理上图是一张ASML光刻机介绍图。下面,简单介绍一下图中各设备的作用。测量台、曝光台:是承载硅片的工作台。激光器:也就是光源,光刻机核心设备之一。光束矫正器:矫正光束入射方向,让激光束尽量平行。能量控制器:控制最终照射到硅片上的能量,曝光不足或过足都会严重影响成像质量。光束形状设置:设置光束为圆型、环型等不同形状,不同的光束状态有不同的光学特性。遮光器:在不需要曝光的时候,阻止光束照射到硅片。能量探测器:检测光束最终入射能量是否符合曝光要求,并反馈给能量控制器进行调整。掩模版:一块在内部刻着线路设计图的玻璃板,贵的要数十万美元。掩膜台:承载掩模版运动的设备,运动控制精
3、度是nm级的。物镜:物镜用来补偿光学误差,并将线路图等比例缩小。硅片:用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸,尺寸越大,产率越高。题外话,由于硅片是圆的,所以需要在硅片上剪一个缺口来确认硅片的坐标系,根据缺口的形状不同分为两种,分别叫flat、 notch。内部封闭框架、减振器:将工作台与外部环境隔离,保持水平,减少外界振动干扰,并维持稳定的温度、压力。在加工芯片的过程中,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,然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图。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
4、、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片,线路图的层数越多,也需要更精密的曝光控制过程。光刻机主要技术指标准分子激光器扫描步进投影光刻机最关键的三项技术指标是:光刻分辨力(Resolu2tion)、套刻精度(Overlay)和产量(Produc2tivity)。光刻分辨力的计算公式为:CD=K1/NA式中为准分子激光器输出激光波长,K1为工艺系数因子,NA为投影光刻物镜数值孔径。从上式可以看出,提高光刻分辨力可以通过缩短激光波长、降低工艺系数因子K1和提高投影光刻物镜数值孔径NA等来实现。缩短激光波长将涉及到激光器、光学系统设计、光
5、学材料、光学镀膜、光路污染以及曝光抗蚀剂等系列技术问题;低工艺系数因子K1值成像,只有当掩模设计、照明条件和抗蚀剂工艺等同时达到最佳化才能实现,为此需要采用离轴照明、相移掩模、光学邻近效应校正、光瞳滤波等系列技术措施;投影光刻物镜的数值孔径则与激光波长及光谱带宽、成像视场、光学设计和光学加工水平等因素有关。套刻精度与光刻分辨力密切相关。如果要达到0.10m的光刻分辨力,根据33%法则要求套刻精度不低于0.03m。套刻精度主要与工件台和掩模台定位精度、光学对准精度、同步扫描精度等因素有关,定位精度、对准精度和同步扫描精度分别约为套刻精度的1/51/3,即0.0060.01m。提高生产效率是光刻机
6、实现产业化的必要条件。为了提高生产效率,必须优化设计激光器输出功率、重复频率、曝光能量控制、同步扫描等各个技术环节,并采用先进技术尽量减少换片、步进和光学对准等环节所需时间。 主流光刻机的基本构造光刻机的光源是核心, EUV是下一代光刻的利刃。光刻机使用的光源有几项要求:有适当的波长(波长越短,曝光的特征尺寸就越小),同时有足够的能量,并且均匀地分布在曝光区。实现光刻进步的直接方法,是降低使用光源的波长。早期的紫外光源是高压弧光灯(高压汞灯),经过滤光后使用其中的 g线(436 nm)或 i线(365 nm)。其后采用波长更短的深紫外光光源,是一种准分子激光(Excimer laser),利用
7、电子束激发惰性气体和卤素气体结合形成的气体分子,向基态跃迁时所产生激光,特色是方向性强、波长纯度高、输出功率大,例如 KrF (248 nm)、 ArF(193 nm)和 F2(157 nm)等。使用 193nmArF光源的干法光刻机,其光刻工艺节点可达 45nm,采用浸没式与光学邻近效应矫正等技术后,其极限光刻工艺节点可达 28nm。主流光刻机的关键组成首创双工作台,大幅提升生产效率。在 2000年前光刻设备,只有一个工作台,晶圆片的对准与蚀刻流程都在上面完成。公司在 2001年推出的 Twinscan双工作台系统,是行业的一大进步,使得光刻机能在一个工作台进行曝光晶圆片,同时在另外一个工作
8、台进行预对准工作,并在第一时间得到结果反馈,生产效率提高大约 35%,精度提高 10%以上。双工件台系统虽然仅是加一个工作台,但技术难度却不容小觑,对工作台转移速度和精度有非常高的要求。阿斯麦的独家磁悬浮工件台系统,使得系统能克服摩擦系数和阻尼系数,其加工速度和精度是超越机械式和气浮式工件台。双工作台光刻设备的构造示意图浸没式光刻与二次曝光提升工艺能力,填补 EUV问世前的演进缺口。浸没式光刻是指在镜头和硅片之间增加一层专用水或液体,光线浸没在液体中曝光在硅晶片圆上;由于液体的折射率比空气的折射率高,因此成像精度更高。从而获得更好分辨率与更小曝光尺寸。2002年业界提出了 193nm浸入式光刻
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