[科普中国]-紫外曝光机

紫外曝光机，也称光刻机、掩模对准曝光机、曝光系统、光刻系统等，是印刷线路板（PCB）制作工艺中的重要设备。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、刻蚀等工序。其主要性能指标有：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。

背景在集成电路集成度不断提高的过程中，集成电路制造技术起着不可替代的作用。集成电路制造流程繁多、工艺复杂，其中一道工艺是将设计好电路版图转移到硅片上形成集成电路。这一工艺就是光刻技术，使用的主要设备是光刻机。光刻机的分辨率和套刻精度直接决定了所制造的集成电路的集成度。而且光刻机的研制涉及光学、机械、精密测量、控制等技术，所以是整个集成电路制造中最复杂和精度最高的设备之一，也是最关键的设备之一。此外，光刻机还有一个经济指标——产率，围绕着这三项指标，光刻机的研制技术不断进步，推动着集成电路制造技术的向前发展。比如荷兰ASML公司把TWINSCAN XT:1950Hi 升级到TWINSCAN XT:1950i，套刻精度和产率分别提高了约37.5%和18.2%。

目前，光刻机的主要研制厂商有荷兰的ASML公司和日本的尼康、佳能，它们几乎垄断了全球的光刻机市场。我国是集成电路的消费大国，也是生产大国，但生产的主要是低端集成电路。近年来，也引进了一些国外的集成电路制造商，比如中芯国际、台积电、宏力半导体等，但仍然无法得到光刻机的相关关键技术。为推动我国集成电路产业的跨越发展，也为推进我国工业化和信息化进程，国家在2006年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》中将“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”明确为重大专项。通过这一专项的实施，已经取得了一些成果1。

系统组成及其工作原理传统曝光机光学系统主要由光源（高压球形汞灯）、椭球面反光杯、冷光镜、透射式复眼透镜阵列、二向色镜和球面平行光反射镜组成。

光源发出的光被椭球面反光杯聚焦后，经冷光镜反射到复眼透镜阵列场镜，从投影镜出射的光到达二向色镜，光谱中的紫外部分被50%透射，50%反射后，到达两块对称分布的大面积球面平行反光镜，被准直反射到晒板上对PCB板进行曝光2。

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。

其中，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。

分类接触式曝光接触式曝光指掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。接触式，根据施加力量的方式不同又分为：软接触，硬接触和真空接触。接触的越紧密，分辨率越高，当然接触的越紧密，掩膜和材料的损伤就越大。

（1）软接触：把基片通过托盘吸附住（类似于匀胶机的基片放置方式），掩膜盖在基片上面；

（2）硬接触：将基片通过一个气压（氮气），往上顶，使之与掩膜接触；

（3）真空接触：在掩膜和基片中间抽气，使之更加好的贴合（想一想把被子抽真空放置的方式）

其缺点为：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，容易损坏，寿命很低（只能使用5～25次）；容易累积缺陷；上个世纪七十年代的工业水准，已经逐渐被接近式曝光方式所淘汰了，国产光刻机均为接触式曝光，国产光刻机的开发机构无法提供工艺要求更高的非接触式曝光的产品化。

接近式曝光接近式曝光指掩膜板与光刻胶基底层保留一个微小的缝隙（Gap），Gap大约为0～200μm。可以有效避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤，使掩膜和光刻胶基底能耐久使用；掩模寿命长（可提高10 倍以上），图形缺陷少。接近式在现代光刻工艺中应用最为广泛。

投影式曝光投影式曝光指在掩膜板与光刻胶之间使用光学系统聚集光实现曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。优点：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。

投影式曝光分为：

（1）扫描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末～80年代初，〉1μm工艺；掩膜板1：1，全尺寸。

（2）步进重复投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或称作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。掩膜板缩小比例（4：1），曝光区域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能覆盖的区域）。增加了棱镜系统的制作难度。

（3）扫描步进投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年代末～至今，用于≤0.18μm工艺。采用6英寸的掩膜板按照4:1的比例曝光，曝光区域（Exposure Field）26×33mm。优点：增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。但是，同时因为需要反向运动，增加了机械系统的精度要求。

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学