光刻机工作原理和组成

汶颢芯片

2016/09/06

私聊

生命科学仪器综合讨论

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。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。现在最先进的芯片有30多层。

上图是一张光刻机的简易工作原理图。下面，简单介绍一下图中各设备的作用。

测量台、曝光台：承载硅片的工作台，也就是本次所说的双工作台。
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，运动控制精度是nm级的。
物镜：物镜由20多块镜片组成，主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小，再被激光映射的硅片上，并且物镜还要补偿各种光学误差。技术难度就在于物镜的设计难度大，精度的要求高。
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。