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借助中国传统文化,其实光刻原理就很简单了

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借助中国传统文化,其实光刻原理就很简单了

发布日期:2019-07-31 作者: 点击:

光刻(lithography)是芯片制造中的一项关键技术,也是微纳器件制备过程中不可少的一道工艺,其目的是在晶圆(衬底)上实现芯片设计所要求的图形。Lithography源于希腊语,其中litho,graphy的意思分别是stone,writing,早是一种印刷的方法,用来实现图形转移。


1.紫外光刻



紫外光刻原理


Photo lithography(也指optical lithography或UV lithography),即借助“光”来实现图形转移。主要利用光化学反应原理把事先制备在掩模版(简称掩模,mask)上的图形转印到晶圆上的过程。不妨理解为,需要先做出设计的图形(手型),然后借助“光”将光刻掩模版(手)的图形,按照定比例投影到晶圆(墙)上,从而实现图形转移。


影响图形尺寸的因素

可想而知,影响图形尺寸的几个因素:光源,光刻版,光刻版到基片的距离等。如果采用波长更短的紫外光源,采用分辨率更高的光刻版,并且将光刻版与基片接触,便可以得到更小尺寸的图形。下图中,如若将剪纸视为光刻版,宣纸当作基片。这便是主流接触式光刻的工作方式。


接触式光刻


接触式光刻的方法可能会损伤晶圆和掩模版,或者对掩模版造成污染。同时由于现代工艺所需要的晶圆尺寸越来越大,难以实现整个晶圆范围的光强均匀,因此接触式光刻不适用于大批量生产。但是由于其小巧灵活的优势,同时可以实现较高的分辨率,因此在科学研究及小批量试验方面有着广泛的应用。


随着技术的发展,芯片集成度的提高,微纳器件尺寸的减小,这些都对光刻分辨率有了更高的要求。而降低光源的波长,能有效提高光刻分辨率。光刻机的波长经历了从435 nm(G-线),405 nm(H线)、365 nm(I线)、248 nm(深紫外,DUV),到目前的193 nm(ArF)的发展历程,具有13.5 nm波长的紫外(EUV)光刻机也已投入使用。




2.电子束光刻


根据德布罗意的物质波理论,电子在加速电压作用下获得高的能量,其波长可以达到0.1埃以下,电子束斑的直径可以降至几纳米。电子束光刻(E-beam lithography)利用电子束作为“光源”,电子束在电磁透镜的作用下偏转,可以在基底的光刻胶上写出自定义的图形。


可通俗的理解为:电子束就像毛笔,电子就像是笔尖的毫毛,可以通过控制来得到不同粗细的笔尖,从而得到不同粗细的线条。同时毛笔也可以在纸上自由的发挥,任意的绘画或书写。这种扫描曝光的方式不需要掩模版,可以归为无掩模光刻。无掩模光刻除了利用电子束之外,也有离子束、激光、探针等方式。


电子束光刻的优势与瓶颈



电子束光刻的优势是高分辨率,同时自由灵活,无需光学投影系统及掩模版制备。由于电子束直写需要对图形进行逐点扫描驻留,因此速度是电子束光刻加工的瓶颈,使其难以大规模的应用于工业生产。但电子束光刻在微纳尺寸器件加工方面仍存在着巨大优势,在新型微纳结构器件、高精度光刻掩模版、以及纳米压印模版的科学研究、小批量研发和制备方面有着重要的应用。


3.纳米压印光刻


由电子束光刻等方法加工出具有微米或纳米尺寸的高分辨率的模板,再利用模板去压印光刻胶使其形变,产生图形的方式,即为纳米压印光刻(nanoimprint lithography)。纳米压印光刻是一种相对简单的方法,具有低成本、高产出、高分辨率等特点。这一过程与篆刻印章十分类似。


压印过程中气泡的转移和脱模过程聚合物的粘结,对转移图形的缺陷控制是纳米压印面临的一个关键的技术挑战。但其优势是不需要复杂的光学器件和设备,同时也不需要根据特定波长去选择特定分辨率和对比度的光刻胶,另外还可以实现三维的图形化。目前纳米压印技术已经应用于电学、光学、生物学等器件。

光刻技术概述

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