光刻机结构及工作原理

Prof.ShiyuanLiuPage1电子工业专用设备主讲教师：刘世元教授吴懿平教授办公电话：87548116移动电话：[phone]电子邮件：[e-mail]机械学院先进制造大楼B310武汉光电国家实验室B102Prof.ShiyuanLiuPage2讲授内容第一讲：微电子制造工艺流程（回顾）第二讲：微电子制造装备概述光刻工艺及基本原理第三讲：光刻机结构及工作原理(1)第四讲：光刻机结构及工作原理(2)Prof.ShiyuanLiuPage3上讲内容：完整的IC制造工艺流程Prof.ShiyuanLiuPage4上讲内容：微电子制造装备概述加法工艺减法工艺图形转移工艺辅助工艺掺杂扩散离子注入薄膜氧化化学气相淀积溅射外延刻蚀湿法刻蚀干法刻蚀抛光及清洗化学机械平坦化清洗图形转移光刻测试及封装测试封装后道工艺扩散炉离子注入机退火炉氧化炉CVD反应炉溅射镀膜机外延设备湿法刻蚀机反应离子刻蚀机光刻机涂胶显影设备CMP抛光机硅片清洗机测试设备划片机键合机Prof.ShiyuanLiuPage5上讲内容：光刻工艺流程光刻工艺的8个基本步骤气相成底膜旋转涂胶软烘对准和曝光曝光后烘焙显影坚膜烘焙显影检查Prof.ShiyuanLiuPage6上讲内容：光刻与光刻机对准和曝光在光刻机(LithographyTool)内进行。其它工艺在涂胶显影机(Track)上进行。Prof.ShiyuanLiuPage7本讲内容：光刻机结构及工作原理光刻机简介光刻机结构及工作原理Prof.ShiyuanLiuPage8光刻机简介*微电子装备芯片设计能力芯片制造与制造设备芯片测试与测试设备设备是信息产业的源头：我们开发设备、设备制造芯片、芯片构成器件、器件改变世界！Prof.ShiyuanLiuPage9光刻机简介*摩尔定律Intel创始人之一摩尔1964年提出，大约每隔12个月：1).芯片能力增加一倍、芯片价格降低一倍；2).广大用户的福音、行业人员的噩梦。芯片集成密度不断提升、光刻分辨率的不断提升！Prof.ShiyuanLiuPage10*2006国际半导体技术路线图(ITRS)原理研究样机研发产品量产持续改进光刻机简介Prof.ShiyuanLiuPage11*光刻机的作用光刻机是微电子装备的龙头技术难度最高单台成本最大决定集成密度光刻机是源头中的龙头！光刻机简介Prof.ShiyuanLiuPage12光刻工艺流程Prof.ShiyuanLiuPage13光刻机简介Lithography=Transferthepatternofcircuitryfromamaskontoawafer.Prof.ShiyuanLiuPage14*对准曝光工作流程光刻机简介Prof.ShiyuanLiuPage15光刻机简介Prof.ShiyuanLiuPage16光刻机简介Prof.ShiyuanLiuPage17DevelopmentoflithographysystemProf.ShiyuanLiuPage18*光刻机发展路线图1光刻机简介Prof.ShiyuanLiuPage19*光刻机发展路线图2光刻机简介Prof.ShiyuanLiuPage20光刻机三巨头光刻机简介Prof.ShiyuanLiuPage21光刻机原理Reticle(Mask)WaferLightLensPhotoresistProf.ShiyuanLiuPage22waferdieImage(onreticle)Image(onwafer)Cell光刻机原理Prof.ShiyuanLiuPage23硅片(wafer)单晶硅芯棒直径可达300mm,长度可达30feet(9m)，重量可达400kg。用金刚石锯，将芯棒切成薄圆片，即晶片(wafer)。标准晶片尺寸和厚度为：100mm(4”)x500μm150mm(6”)x750μm200mm(8”)x1mm300mm(12”)x750μmProf.ShiyuanLiuPage24硅片Wafertype:SEMIJEIDADiameter：8inch-200mm12inch–300mmNotch：Y/NFlatedgelengthClearanceRoundFlatSEMI=SemiconductorEquipmentandMaterialsInternationalJEIDA=JapanElectronicIndustriesDevelopmentAssociationProf.ShiyuanLiuPage25光刻机重要评价指标CDLinewidth（线宽）Overlay（套刻精度）Fieldsize（场尺寸）Throughput（生产率）XYWphCD=CriticalDimensionProf.ShiyuanLiuPage26光刻机重要设计指标NumericalApertureofProjectionLens0.75~0.50Litho.Resolution(Lines/Spaces)100nmImageSize22mm8mmMagnification-0.25DepthofFocus0.60m(@130nmresolution)0.50m(@100nmresolution)ProjectionLens(-1/4x)ReticleWaferExposureFieldScanScan22x4=882283232x4=1288x4=32XYZNAReticlepatternsize88mm128mmExposurefieldsizeonwafer(max)22mm32mmScanningspeed(max)reticlestagewaferstage1000mm/s250mm/sProf.ShiyuanLiuPage27*光刻机(汞灯)光刻机总体结构Prof.ShiyuanLiuPage28*光刻机(激光器)光刻机总体结构Prof.ShiyuanLiuPage29StepandScanSystem193nmExcimerLaserSourceComputerConsoleExposureColumn(Lens)WaferReticle(Mask)Prof.ShiyuanLiuPage30光刻机总体结构自动对准系统投影物镜系统框架减振系统掩模传输系统调平调焦测量系统照明系统工件台系统掩模台系统硅片传输系统环境控制系统整机控制系统整机软件系统Prof.ShiyuanLiuPage31光刻机结构及工作原理曝光系统(照明系统和投影物镜)工件台掩模台系统自动对准系统调焦调平测量系统掩模传输系统硅片传输系统环境控制系统整机框架及减振系统整机控制系统整机软件系统Prof.ShiyuanLiuPage32光刻机结构：曝光系统*曝光系统激光器/汞灯提供光源照明系统均匀照明掩模投影物镜高分辨率成像Prof.ShiyuanLiuPage33光刻机结构：曝光系统*曝光系统总体结构Prof.ShiyuanLiuPage34光刻机结构：曝光系统*曝光系统工作原理MovablelensesLighttrapBS3EnergyDetectionUnitL4CaF2rodPhotodiodeDOE2L5CaF2rodVariableslitIlluminationLensGroupCollimatorlensM10CondensorlensFilter(orwindow)ReticleFixedlensgroupsLensZ1LensZ2LensZ3LensX-YLastplateNA(variable)FixedlensgroupsWaferSpotenergysensorLensimagesensor(LIS)OpticalArrangementofExposureSystemProjectionLensBeamUniformizerBeamDeliveryFilterArFExcimerLaserSafetyshutterBeamExpanderM1CL1CL2L1M2M3M4M5M6M7BS1M8M9BS2BeamSteeringUnitBeamSamplingUnitL2L3VariableAttenuatorLighttrapPSD1PSD2DOE1ZoomexpanderBeamShaperMovableaxiconFixedaxiconFixedlensesProf.ShiyuanLiuPage35光刻机结构：曝光系统*曝光系统结构1Prof.ShiyuanLiuPage36光刻机结构：曝光系统*曝光系统结构2Prof.ShiyuanLiuPage37光刻机结构：曝光系统*曝光波长汞灯：g-Line(453nm)、h-Line(405nm)、i-Line(365nm)准分子激光器：KrF(248nm)、ArF(193nm)、F2(157nm)极紫外光源：EUV(13nm)曝光波长影响光源技术：中心波长、光谱带宽、输出功率…光学系统：光学设计、光学材料、光学镀膜…光刻工艺：光刻胶、工艺参数…Prof.ShiyuanLiuPage38光刻机结构原理：曝光系统*汞灯光源Prof.ShiyuanLiuPage39光刻机结构：曝光系统*激光器中心波长193.365nm波长带宽0.3pm脉冲频率4000Hz脉冲能量5mJ输出功率20WProf.ShiyuanLiuPage40光刻机结构：曝光系统*离轴照明Prof.ShiyuanLiuPage41光刻机结构：曝光系统顶部模块(TopModular)Prof.ShiyuanLiuPage42光刻机结构：曝光系统*刀口狭缝SlitProf.ShiyuanLiuPage43光刻机结构：曝光系统*投影物镜典型的投影物镜：-30块镜片-60个光学表面-0.8m最大直径-500kg重量Prof.ShiyuanLiuPage44wafervvvvvvvObjectivelensreticleCondenserlensLightsourceAperturestop光刻机工作原理：成像原理ImagingPrinciple:OpticalProjectionProf.ShiyuanLiuPage45ImagingPrinciple:FourierOpticsProf.ShiyuanLiuPage46objectNA=nsiniNumericalApertureProjectionLensEntrancePupilNA=NumericalAperture=AngularMeasureofLensSize=max.Acceptanceangle(atobject)i=max.acceptanceangle(atimage)(wafer)(reticle)ImageDefinitionofNumericalAperture(NA)Prof.ShiyuanLiuPage47Diffractionintensityposition0order-1order+1orderProf.ShiyuanLiuPage480+10+1-1-2+2+3-3Prof.ShiyuanLiuPage49sin=n·lpitchIlluminationofaPeriodicGratingn=order#Prof.ShiyuanLiuPage50n=0n=-/+1n=-/+3DiffractionOrdersProf.ShiyuanLiuPage51n=0n=1n=3ReticlelevelWaferlevelDCbiasResistZeroand+1storderwaveformZeroand3rdorderwaveformDiffractionOrdersZeroorderwaveformProf.ShiyuanLiuPage52AssembledimageD