步进式光刻机用于生产的关键是自动对准系统。因为操作员不可能将晶圆上的几百个芯片逐一对准。自动对准是靠低能激光束穿过掩膜版上的对准标记,然后将它们反射到晶圆表面相应的对准标记上。经过信号分析,信号反馈给由计算机可控制可在x-y-z方向调整的晶圆载片器上,载片器移动直至晶圆与放大掩膜版对准。接下来,图形被逐个,在逐行地在光刻胶上曝光。

激光对准

一种可替代激光信号控制的方法是用一个图形系统。该系统采用一个照相机捕捉一个芯片的图像,并将其与数据库比较。晶圆将被移动,直至它和掩膜版上的图形与数据库相吻合。

使用对准标记的对住系统被称为离轴对准,因为对准是一个参考图形,而不是实际电路图形的部分。具有离轴对准是对准误差的另一个来源。一个更直接的方法是通过镜头(TTL)。一个TTL系统直接看到晶圆上的图形。用来自氦氖曝光光线,或从晶圆图形反射信号的氦氖激光,并使对准自动调整。

大部分生产用分步式光刻机具有G线或I线能力的紫外曝光光线。若想得到更小的图形尺寸,光刻机则需选用深紫外范围的激光光源。为在曝光过程中保持准确的图形尺寸,温度和湿度必须加以严格控制。大部分步进式光刻机被放在封闭的反应室内,这种环境不仅控制上述重要参数,而且还可保持晶圆清洁。

晶圆2

步进扫描光刻机:通常对更大芯片尺寸的需求推动了具有更大视场镜头的系统。增大视场使得对准和曝光时间缩短。然而,越大的镜头越昂贵。一种可替代的方法是,用一个带有较小镜头、且能够以扫描小区域来覆盖所需区域的步进式光刻机。

其他曝光源和先进的对准和曝光设备将在之后几期中讲到。

 

曝光后烘培

驻波是使用光学曝光和正光刻胶时出现的问题。一种减小驻波的方法是在曝光后烘培晶圆。烘培的方法可以是前述方法的任何一种。曝光后烘培的时间和温度的规范时由烘培方法、曝光条件,以及光刻胶化学所决定的。

电子束光刻:电子束光刻是一种成熟的技术,用于制造高精度掩膜版。该系统包括一个电子发射源,它能产生小直径束斑和一个能够开关电子束的快门。为防止空气分子对电子束的影响,曝光必须在真空中进行。束流通过具有定向能力的静电板,可以导向掩膜版或晶圆的x-y方向。该系统在功能上类似于电视机的束流控制系统。为得到精确的束流方向,束流需要在真空反应室中穿行,该反应室中有电子束发射源,支撑结构以及可以曝光的衬底。

电子束

由于所需图形从计算机中生成,因此没有掩膜版。束流通过偏转系统对准表面特定位置,然后在将要曝光的光刻胶上开启电子束。较大的衬底则被放置在x-y承片上,并在电子束下移动,从而得到整个表面的曝光。这种对准和曝光技术称为直写。

图形在光刻胶上的曝光是通过光栅扫描或矢量扫描完成的。光栅扫描就是电子束由一边移动至另一边,再向下逐行扫描。计算机控制扫描的运动过程,并在将要被曝光区域的光刻胶上开启快门。光栅扫描的一个缺点是由于电子束必须经过整个表面,因此扫描所需的时间较长。对于矢量扫描,电子束直接移动到需要曝光的区域。再每个位置上,对小正方形或举行面积的曝光构成了想要得到的整个曝光区域的形状。

光刻机3

混合和匹配光刻机:较小机和尺寸的成像十分昂贵。但幸好一个产品的掩膜版组中只有某几个关键层需要先进的成像技术。对于先进的电路,至少也有50%的非关键层。这些非关键层可以通过更加成熟的技术成像,如投影式分布重复光刻机或较便宜的分步式光刻机。使用X射线或电子束技术的混合和匹配光刻机可能会成为工厂的生产特色。

 

先进的光刻

工业界正沿着摩尔定律,向不久的将来的5nm节点前进。我们之前介绍的这些基本工艺将不能满足生产比200nm节点小得多的特征尺寸。高于这个里程碑式的进步要求整个基本工艺的改善。它们包括之后我们要介绍的新光刻胶、新曝光源和改善的掩膜版等。