基本介紹
- 中文名：紫外曝光機
- 外文名：Mask Aligner
- 別名：光刻機、掩模對準曝光機等
- 釋義：PCB製作工藝的重要設備
- 主要性能指標：解析度、對準精度、曝光方式等
- 分類：接觸式、接近式和投影式曝光
背景,系統組成及其工作原理,性能指標,分類,接觸式曝光,接近式曝光,投影式曝光,
背景
在積體電路集成度不斷提高的過程中，積體電路製造技術起著不可替代的作用。積體電路製造流程繁多、工藝複雜，其中一道工藝是將設計好電路版圖轉移到矽片上形成積體電路。這一工藝就是光刻技術，使用的主要設備是光刻機。光刻機的解析度和套刻精度直接決定了所製造的積體電路的集成度。而且光刻機的研製涉及光學、機械、精密測量、控制等技術，所以是整個積體電路製造中最複雜和精度最高的設備之一，也是最關鍵的設備之一。此外，光刻機還有一個經濟指標——產率，圍繞著這三項指標，光刻機的研製技術不斷進步，推動著積體電路製造技術的向前發展。比如荷蘭ASML公司把TWINSCAN XT:1950Hi 升級到TWINSCAN XT:1950i，套刻精度和產率分別提高了約37.5%和18.2%。
光刻機的主要研製廠商有荷蘭的ASML公司和日本的尼康、佳能，它們幾乎壟斷了全球的光刻機市場。我國是積體電路的消費大國，也是生產大國，但生產的主要是低端積體電路。近年來，也引進了一些國外的積體電路製造商，比如中芯國際、台積電、宏力半導體等，但仍然無法得到光刻機的相關關鍵技術。為推動我國積體電路產業的跨越發展，也為推進我國工業化和信息化進程，國家在2006年發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020）》中將“極大規模積體電路製造裝備及成套工藝”明確為重大專項。通過這一專項的實施，已經取得了一些成果。
系統組成及其工作原理
傳統曝光機光學系統主要由光源（高壓球形汞燈）、橢球面反光杯、冷光鏡、透射式複眼透鏡陣列、二向色鏡和球面平行光反射鏡組成。
光源發出的光被橢球面反光杯聚焦後，經冷光鏡反射到複眼透鏡陣列場鏡，從投影鏡出射的光到達二向色鏡，光譜中的紫外部分被50%透射，50%反射後，到達兩塊對稱分布的大面積球面平行反光鏡，被準直反射到曬板上對PCB板進行曝光。
性能指標
光刻機的主要性能指標有：支持基片的尺寸範圍，解析度、對準精度、曝光方式、光源波長、光強均勻性、生產效率等。
其中，解析度是對光刻工藝加工可以達到的最細線條精度的一種描述方式，光刻的解析度受受光源衍射的限制,所以與光源、光刻系統、光刻膠和工藝等各方面的限制。對準精度是在多層曝光時層間圖案的定位精度。曝光方式分為接觸接近式、投影式和直寫式。曝光光源波長分為紫外、深紫外和極紫外區域，光源有汞燈，準分子雷射器等。
分類
接觸式曝光
接觸式曝光指掩膜板直接與光刻膠層接觸。曝光出來的圖形與掩膜板上的圖形解析度相當，設備簡單。接觸式，根據施加力量的方式不同又分為：軟接觸，硬接觸和真空接觸。接觸的越緊密，解析度越高，當然接觸的越緊密，掩膜和材料的損傷就越大。
（1）軟接觸：把基片通過托盤吸附住（類似於勻膠機的基片放置方式），掩膜蓋在基片上面；
（2）硬接觸：將基片通過一個氣壓（氮氣），往上頂，使之與掩膜接觸；
（3）真空接觸：在掩膜和基片中間抽氣，使之更加好的貼合（想一想把被子抽真空放置的方式）
其缺點為：光刻膠污染掩膜板；掩膜板的磨損，容易損壞，壽命很低（只能使用5～25次）；容易累積缺陷；上個世紀七十年代的工業水準，已經逐漸被接近式曝光方式所淘汰了，國產光刻機均為接觸式曝光，國產光刻機的開發機構無法提供工藝要求更高的非接觸式曝光的產品化。
接近式曝光
接近式曝光指掩膜板與光刻膠基底層保留一個微小的縫隙（Gap），Gap大約為0～200μm。可以有效避免與光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷，使掩膜和光刻膠基底能耐久使用；掩模壽命長（可提高10 倍以上），圖形缺陷少。接近式在現代光刻工藝中套用最為廣泛。
投影式曝光
投影式曝光指在掩膜板與光刻膠之間使用光學系統聚集光實現曝光。一般掩膜板的尺寸會以需要轉移圖形的4倍製作。優點：提高了解析度；掩膜板的製作更加容易；掩膜板上的缺陷影響減小。
投影式曝光分為：
（1）掃描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末～80年代初，〉1μm工藝；掩膜板1：1，全尺寸。
（2）步進重複投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或稱作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。掩膜板縮小比例（4：1），曝光區域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能覆蓋的區域）。增加了稜鏡系統的製作難度。
（3）掃描步進投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年代末～至今，用於≤0.18μm工藝。採用6英寸的掩膜板按照4:1的比例曝光，曝光區域（Exposure Field）26×33mm。優點：增大了每次曝光的視場；提供矽片表面不平整的補償；提高整個矽片的尺寸均勻性。但是，同時因為需要反向運動，增加了機械系統的精度要求。
