掩膜光刻机原理及掩膜版

光刻机（ lithography ）又名：掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等，是制造芯片的核心装备。它采用类似 照片冲 印 的技术，把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到 硅 片 上。

DMD 无掩膜光刻技术是从传统光学光刻技术衍生出的一种新技术，因为其曝光成像的方式与传统投影光刻基本相似，区别在于使用数字 DMD 代替传统的掩膜，其主要原理是通过计算机将所需的光刻图案通过软件输入到 DMD 芯片中，并根据图像中的黑白像素的分布来改变 DMD 芯片微镜的转角，并通过准直光源照射到 DMD 芯片上形成与所需图形一致的光图像投射到基片表面，并通过控制样品台的移动实现大面积的微结构制备。设备原理图图下图所示。相对于传统的光刻设备， DMD 无掩膜光刻机无需掩膜，节约了生产成本和周期并可以根据自己的需求灵活设计掩膜。

光刻是指利用光学复制的方法把图形印制在光敏记录材料上，然后通过刻蚀的方法将图形转移到晶圆片上来制作电子电路的技术。其中 光刻系 统 被称为 光刻 机 ，带有图形的石英板称为掩膜，光敏记录材料被称为光刻胶或抗蚀剂。具体光刻流程如下图所示：

光刻技术是集成电路制造、印刷电路板制造以及微机电元件制造等微纳加工领域的核心技术之一。进入 21 世纪以来 , 随着电子信息产业的高速发展 , 集成电路的需求出现了井喷式的增长。使的对掩膜的需求急剧增加，目前制作掩膜的主要技术是电子束直写，但该制作效率非常低下，并且成本也不容小觑，在这种背景下人们把目光转移到了无掩膜光刻技术。

备受关注的无掩膜光刻技术大概可以分为两类： 1 ）带电粒子无掩膜光刻；例如电子束直写和离子束光刻技术等。 2 ）光学无掩膜技术；例如 DMD 无掩膜光刻技术、激光直写、干涉光刻技术、衍射光学元件光刻技术等。

其中 DMD 无掩膜光刻技术是从传统光学光刻技术衍生出的一种新技术，因为其曝光成像的方式与传统投影光刻基本相似，区别在于使用数字 DMD 代替传统的掩膜，其主要原理是通过计算机将所需的光刻图案通过软件输入到 DMD 芯片中，并根据图像中的黑白像素的分布来改变 DMD 芯片微镜的转角，并通过准直光源照射到 DMD 芯片上形成与所需图形一致的光图像投射到基片表面，并通过控制样品台的移动实现大面积的微结构制备。设备原理图图下图所示。相对于传统的光刻设备， DMD 无掩膜光刻机无需掩膜，节约了生产成本和周期并可以根据自己的需求灵活设计掩膜。相对于激光直写设备， DMD 芯片上的每一个微镜都可以等效看成一束独立光源，其曝光的过程相当于多光束多点同时曝光可极大提高生产效率特别是对于结构繁琐的图形。

掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等。常用的光刻机是掩膜对准光刻，所以叫  Mask Alignment System 。

光刻机原理是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。然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图（即芯片）。

掩膜光刻一般根据操作的简便属于手动机 ， 指的是对准的调节方式，是通过手调旋钮改变它的 X 轴， Y 轴和 thita 角度来完成对准，对准精度可想而知不高了。

光刻机性能指标：

　　光刻机的主要性能指标有：支持基片的尺寸范围，分辨率、对准精度、曝光方式、光源波长、光强均匀性、生产效率等。

　　分辨率是对光刻工艺加工可以达到的最细线条精度的一种描述方式。光刻的分辨率受受光源衍射的限制，所以与光源、光刻系统、光刻胶和工艺等各方面的限制。

对准精度是在多层曝光时层间图案的定位精度。

　　曝光方式分为接触接近式、投影式和直写式。

　　曝光光源波长分为紫外、深紫外和极紫外区域，光源有汞灯，准分子激光器等。

　　光刻机的作用：

　　光刻机是微电子整备的空头，其具有技术难度最高、单台成本最大、决定集成密度等特点。

光刻机工作原理：

　　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。

　　 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。

掩膜版

光刻掩模版，别称“掩模版”、“光刻板”、“光罩”、“遮光罩”，一般使用玻璃或者石英表面覆盖带有图案的金属图形，实现对光线的遮挡或透过功能，是微电子光刻工艺中的一个工具或者板材。我们利用光罩可以实现微电子工艺中的图形传递。光刻掩模版的加工技术主要有两种：其一为激光直写技术；其二为电子束直写部分，两种技术区别在于光源不同，实现的精度有所区别。

掩模版是光刻工艺不可缺少的部件。掩模上承载有设计图形，光线透过它，把设计图形透射在光刻胶上，掩膜版的功能类似于传统照相机的“底片”。我们可以通过把图形做在掩模版上通过下一步曝光工艺（下期讲解）转移到我们的基底上，基底上有对应的相关图形了，但是通过曝光基底上还没有刻上图形，只是光刻胶有了相关图形，就像这样：

光刻胶的是一种对光敏感的材料，通过紫外光、电子束、离子束、 X 射线等的照射或辐射，其溶解度发生变化。有可能会变容易溶解也可能变得不容易，这时候再通过显影液，不稳定的部分将会被处理掉，剩下的就是我们想要的图形。

掩模版都有哪些种类？

普通版 ： 一般使用苏打玻璃或者石英，常见 2 寸到 10 寸，线宽一般在 1um 以上，主要用户接触式曝光机，转移图形与版图尺寸为 1:1 ，实现同比例的图形转移。

Stepper 版： 一般使用石英版，常见为 5 寸和 6 寸版，线宽一般在 500nm 以上，主要用于 Stepper 曝光机台，转移图形与版图尺寸实际比例一般是 4:1 或者 5:1 ，实现将版图图形缩小 4~5 倍之后投射于目的片上。

纳米压印版： 一般用石英版，刻蚀其表面的金属形成沟槽和透光不透光的组合，尺寸一般需要 5 寸及以上，采用电子束直写的技术实现表面 nm 图形的转移，一般线宽在 200~800nm 左右，借助掩模版对光刻胶的压力、同时辅助紫外曝光，最终实现纳米级图形的转移。

金属掩模版： 一把采用不锈钢，在不锈钢表面通过激光加工的方式，实现表面镂空的图形设计，最小线宽一般要 20um ，能够用于电子束蒸发、磁控溅射中，用于电极图形的转移。

如何制作一块版？

制作版的流程其实也是一套维纳加工的流程，我们可以通过常用的设计软件 CAD 、 EDA 等设计出我们的图形，通过光刻、显影、刻蚀处理，大概过程如下：

应用范围：