微细和纳米加工技术 光学曝光技术2.1 引言 2.2光学曝光方式与原理.ppt
微纳米加工工艺在光学器件制备中的应用
微纳米加工工艺在光学器件制备中的应用随着科学技术的进步，微纳米加工技术已经成为现代科学技术领域的重要技术手段。
微纳米加工技术是指利用先进的加工技术，对微小尺度的物体进行加工制造和处理。
它包括微影技术、电子束曝光技术和离子束加工技术等各种先进的制造工艺。
在各个领域中，微纳米加工技术的应用越来越广泛，尤其在光学器件制备方面，微纳米加工技术已经成为不可或缺的技术手段。
一、微纳米加工技术的原理微纳米加工技术的基本原理是利用一系列的加工技术，对样品表面进行加工制造和处理。
这些加工技术通过控制工具的运动、加工参数和样品的结构特征，实现对样品表面和尺度的加工、改变和控制。
其中，微影技术是微纳米加工中最为常用的技术之一。
该技术通过光学模板和光阻等影响因素，对待加工样品的表面进行影像显影，从而形成微小的结构特征。
另外，电子束曝光技术和离子束加工技术也被广泛应用于微纳米制造。
二、微纳米加工技术的应用在光学器件制备中在光学器件制备中，微纳米加工技术广泛应用于微光波导、微透镜、微光栅和微反射镜等光学器件的加工制造。
这些器件的加工制造一般需要光刻、膜层沉积和微加工等制造步骤。
传统的微纳米加工技术主要是利用光刻技术进行加工制造，但是在光学器件制备中，需要高精度的加工方式来实现微光波导和微透镜等微器件的制造。
微电子机械加工、电子束曝光以及离子束加工等微纳米加工技术已经成为加工微光波导和微透镜等器件的常用技术方法。
三、微加工技术在光学器件制备中的应用案例1.微光波导微光波导是在光学，电子学以及光子学领域中应用广泛的一种器件，用于将光导到器件内部的其他功能件，并在尺寸尽可能小的情况下实现高效的光耦合和光传输。
微纳米加工技术可以通过在半导体材料上制作深度不等的结构，实现微光波导的加工和制造。
2.微透镜微纳米加工技术可以通过微纳加工技术来实现微透镜的制造。
微透镜具有小巧玲珑、质量轻、加工过程简单的特点，对光学仪器的成像质量能够进行有效改善。
微细和纳米加工技术 光学曝光技术2.1 引言 2.2光学曝光方式与原理.ppt
图2.2 接触式、接近式与投影式3种曝光方式的示意
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图
2.2.1掩模对准式曝光
★掩模对准式曝光可以真实地再现掩模图形，但是它要求掩模必 须与光刻胶表面完全接触。
★掩模对准式曝光又可分为接触式曝光和接近式曝光（非接触式 光学曝光）。
掩模对准式曝光
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1．接触式曝光
★接触式曝光又可分为 ①硬接触与②软接触 曝光。
参数。
★由式可见，若要曝光成像与掩模设计图形尽可能一致，只有 减小间隙和缩短照明波长。
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2.2.2投影式曝光
★投影式曝光既有接触式曝光的高分辨率，而又避免了接触式 曝光容易产生缺陷的弊端。
★光学投影成像曝光技术是用光学投影的方法将掩模版图形的 影像(以等倍方式或缩小的方式)投影在半导体基片表面上，这 时掩模版作为光学成像系统的物方，基片表面上的光致抗蚀 剂层为像方。
λ ：照明光波长； NA：光学透镜的数值孔径； K2：一个与具体的曝光系统及光刻胶工艺特性
有关的常数。
★由上式可见，焦深与数值孔径的平方成反比。
★单纯地追求分辨率会使焦深大大减低。
R k1 NA
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焦深甚至比分辨率更为重要
★大规模集成电路的硅晶圆直径都是在6～8in，甚至是12in。大的晶圆本 身就不可能做到绝对的平整，加之每一道曝光工序都是在前面已经加工 过的晶圆上进行，前道工序已在晶圆表面形成了高低起伏的电路结构形 貌。如果曝光系统的焦深很小，则掩模成像只能在很小的高度起伏范围 内才能保证聚焦，超出这一范围就散焦了。散焦的结果，使得分辨率下 降。
★投影式曝光的光学分辨率(R)取决于照明光波长(λ)、光学透 镜的数值孔径(NA)和工艺条件，如下式所示：
R k1 NA
纳米光学技术的基本原理和实验操作流程
纳米光学技术的基本原理和实验操作流程纳米光学技术是一种运用光学原理研究和操作纳米级尺度物质的科学技术。
它结合了纳米科学和光学技术的优势，可以对微观世界进行实时、非破坏性的观测和操控，为材料科学、生物医学、信息技术等领域的发展带来了新的机遇和挑战。
基本原理：纳米光学技术主要利用光的传播性质和与物质相互作用的特点，通过调控光的波长、强度和相位等参数，来实现对纳米级尺度物质的探测、成像和加工。
其中，主要包括以下几个基本原理：1. 表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）：当光散射到金属纳米结构表面时，可以引发共振现象，即表面等离子共振。
利用这种现象，可以测量样品中等离子体积浓度、膜的厚度以及分子的亲和力等物理和化学信息。
2. 全息术（Holography）：通过利用光的干涉和衍射效应，将光的信息存储在照相底片或光敏材料上，形成全息图像。
利用全息术可以实现高分辨率的成像和三维重建，对纳米级尺度结构进行表征和研究。
3. 等离子体共振（Plasmon Resonance）：金属纳米颗粒具有独特的光学性质，当光与金属纳米颗粒相互作用时，可以产生等离子体共振现象。
例如，纳米金颗粒可以吸收和散射光，也可以通过改变光的频率或波长来调控等离子体共振的吸收和散射效应，从而实现纳米结构的探测和成像。
实验操作流程：进行纳米光学实验需要以下步骤和条件：1. 准备样品：根据实验目的选择和准备相应的纳米级尺度样品，可以是金属纳米颗粒、纳米材料薄膜或纳米生物分子等。
2. 光源选择：根据实验需求选择合适的光源。
常用的光源有氙灯、激光器和白炉等，其中激光器是常用的高亮度、高直流和单色性光源。
3. 光学系统搭建：根据实验需要搭建好合适的光学系统，包括光路调整、光学元件选择和安装等。
光学系统可以由准直器、物镜、滤光片、调制器等组成。
4. 数据采集与分析：根据实验设计选择合适的数据采集设备，例如像素均衡相机或光谱仪。
微细加工技术 ppt课件
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结合加工
分类
附着加工
注入加工 结合加工
加工方法
蒸镀 分子束镀膜 分子束外延生长 离子束镀膜 电镀(电化学镀) 电铸 喷镀
离子束注入 氧化、阳极氧化 扩散 激光表面处理
电子束焊接 超声波焊接 激光焊接
可加工材料
金属 金属 金属 金属、非金属 金属 金属 金属、非金属
金属、非金属 金属 金属、半导体 金属
特种加工 （非传统加工）
复合加工
电火花成形加工 电火花切割加工 电解加工 超声波加工 微波加工 电子束加工 粒子束去除加工 激光去除加工 光刻加工
电解磨削 电解抛光 化学抛光
导电金属，非金属 导电金属 金属，非金属 硬脆金属，非金属 绝缘金属，半导体 各种材料 各种材料 各种材料 金属，非金属，半导体
(1)离子束的力效应及其溅射现象
离子束溅射现象：质量大动能高的离子冲击工件表面时，
将产生弹性碰撞，将能量传递给工件材料的原子、分子，其中 一部分能量使原子、分子产生溅射，被抛出工件表面。
直线弹性一次碰撞所传递动能 E 4E0m0m /(m0 m)2
ppt课件
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(2)离子束加工方法 1)离子束溅射去除
孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔 切断，切槽 模具型腔，大空，切槽，成形 刻模，落料，切片，打孔，刻槽 在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔 打孔，切割，光刻 成形表面，刃磨，割蚀 打孔，切断，划线 划线，图形成形
各种材料 金属，半导体 金属，半导体
刃磨，成形，平面，内圆
平面，外圆，型面，细金属丝，槽
pp平t课件面
ppt力加工
可加工材料
金属
应
用
板、丝的压延、精冲、拉拔、挤压、波导管、衍射光栅
光学投影曝光微纳加工技术
光学投影曝光微纳加工技术
光学投影曝光是一种微纳加工技术，通过利用光的特性进行微细结构的制造。
它主要包括两个步骤：投影和曝光。
在投影过程中，使用特定的光学系统将图像投影到被加工材料的表面上。
这个图像是由电子设备生成的，可以根据设计需求来确定结构的形状和尺寸。
在曝光过程中，被加工材料表面暴露在投影光的照射下。
根据光的特性，被加工材料上的某些区域会发生化学或物理反应，形成所需的结构。
通常，曝光过程使用特定的光源，如紫外线或激光光源。
光学投影曝光微纳加工技术具有以下特点：
1. 分辨率高：光学投影曝光技术可以实现亚微米甚至纳米级别的精细结构制造，具有较高的分辨率。
2. 加工速度快：相比其他微纳加工技术，光学投影曝光技术具有较高的加工速度，可以在较短的时间内完成大面积结构的制造。
3. 多用途性：光学投影曝光技术可以用于加工各种材料，如光刻胶、玻璃、陶瓷等，并可以制造出不同形状和尺寸的微纳结构。
4. 灵活性高：根据设计需求，可以通过调整投影图像和曝光参
数来实现不同的结构形态和尺寸，具有较高的灵活性。
光学投影曝光微纳加工技术在微电子、光学器件、微流体芯片等领域有广泛应用，可以制造出微型光学元件、微电子芯片、微机械结构等微纳尺度的器件和系统。
应用于光学和激光器的微细加工技术
应用于光学和激光器的微细加工技术微细加工技术是一种可制备微小结构和精密设备的技术，它被广泛应用于光学和激光器领域。
在这个领域中，微细加工技术可以用于制造微透镜、微结构和微电子机械系统等高精度零部件。
本文将介绍微细加工技术在光学和激光器领域的应用以及其中的一些技术细节。
一、微细加工技术在光学领域的应用光学元件是指能够调节或控制题目光波传输的元件，它们对于光学系统的性能至关重要。
在光学元件的制造中，微细加工技术可以用于制造微透镜、微透镜阵列、微凹凸面和微结构等。
这些微小的结构对于控制题目光波传输起着重要的作用。
（一）微透镜及其阵列微透镜是一种非常小的凹透镜，它可以制镶在芯片表面，使光线通过微透镜后汇聚，去掉散射问题，提高光学器件的分辨率。
而微透镜阵列由多个微透镜组成，可以对一块芯片进行大规模的光学加工，加工效率高，制造精度高，批量化生产。
微细加工技术可以用于制造微透镜和微透镜阵列，提高光学器件的性能和制造效率。
（二）微凹凸面和微结构微凹凸面可以用于光学器件的纹理处理和表面增强拉曼光谱技术。
微凹凸面和微结构可以通过微细加工技术进行制造。
二、微细加工技术在激光器领域的应用激光器是光学器件中的重要一环，其工作原理是利用各种物质（包括气体、晶体、半导体和液体等）在外部刺激下产生的放电、激发或光学相互作用，从而产生一束有特定波长、特定方向和相干的光。
微细加工技术在激光器的制造和调整中具有广泛的应用。
（一）激光器的制造微细加工技术可以用于激光器的零部件加工和装配。
例如，使用 Micro Electro Mechanical Systems（MEMS）技术可以制造激光器的振荡器，而微细加工技术中的纳米制造技术可用于制造激光器的金属反射镜。
（二）激光器的调整激光器的调整是指在制造完成后对其进行调整和改进以达到特定的性能指标。
微细加工技术可以对激光器进行微调，例如利用微镜或微齿轮结构来调节激光器内的折射率和驱动电压等参数以改进激光器的性能。
第八章 微细加工技术和纳米技术
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8.4 微细加工方法
一、高能束流微细特种加工技术
高能束流加工是利用能量密度很高的电子束、激光束或离子束等 去除工件材料的特种加工方法的总称。
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目前微细加工领域的几大流派： •以美国为代表的硅基MEMS技术 •以德国为代表的LIGA技术 •以日本为代表的机械加工方法的微细化
他们的研究与应用情况基本代表了国际微细加工的水 平和方向，应密切关注。
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微细加工与常规尺寸的加工的机理是截然不同的。微细加工与一般 尺度加工的主要区别体现在：
1. 加工精度的表示方法不同。在一般尺度加工中，加工精度常用 相对精度表示；而在微细加工中，其加工精度则用绝对精度表示。加工 单位概念的引入。
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二、材料缺陷分布的影响
材料微观缺陷分布或材质不均匀性，可以归纳为以下几种情况： ① 晶格原子(～10-6mm) 在晶格原子空间的破坏就是把原子一个个去除。 ② 点缺陷(10-6～10-4mm) 点缺陷就是在晶粒结构中存在着空位和填隙原子。点缺
陷空间的破坏就是以点缺陷为起点来增加晶格缺陷的破坏。 ③ 位错缺陷(10-4～10-2mm) 位错缺陷就是晶格位移和微裂纹，它在晶体中呈连续
• 微机械由于具有能够在狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境和 对象的特点，在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的 应用潜力，受到世界各国的高度重视。
• 微机械涉及的基本技术主要有：微机械设计；微机械材料；微细加 工；集成技术；微装配和封接；微测量；微能源；微系统控制等。
• 微机械的制造和生产离不开微细加工技术。
2. 加工机理存在很大的差异。由于在微细加工中加工单位的急剧 减小，此时必须考虑晶粒在加工中的作用。
3. 加工特征明显不同。一般加工以尺寸、形状、位置精度为特征； 微细加工则由于其加工对象的微小型化，目前多以分离或结合原子、分 子为特征。
光学微纳加工技术的原理与应用
光学微纳加工技术的原理与应用光学微纳加工技术是一种高精度、高效率的微观加工技术。
它利用激光或其他光源对微观或纳米尺度物体进行加工和加工成型，是现代微纳加工技术中重要的一种方法。
本文就详细探讨光学微纳加工技术的原理与应用。
一、光学微纳加工技术的原理1、光场效应光场效应是一种利用强光场作用在物质上的物理现象。
通过调整光场的强度和分布，可以实现对物质的加工和处理。
在微观尺度下，强光场可以通过束缚电子和离子的相互作用来影响物质的形成和变形。
2、激光热效应激光热效应是指当激光照射到材料表面时，被吸收的能量会引起局部温度的升高，从而改变材料的物理性质。
激光热效应可用于制造微观或纳米级别的器件，如光学导纳、微泵、微阀等。
3、电离效应电离是指物质中的一个或多个原子失去一个或多个电子的过程。
当激光照射到物质上时，它可以产生强电场和电磁波。
电离效应可用于制造纳米级别的器件和材料，如纳米晶体和碳纳米管。
二、光学微纳加工技术的应用1、微电子学应用利用光学微纳加工技术，可以制造高精度的微电子元器件，如微波器件、集成电路、传感器等。
它可以提高电子元器件的性能和可靠性，从而促进微电子学的发展。
2、生物医学应用光学微纳加工技术可以制造高精度的生物医学器件，如微型药物输送器、人工器官、药物释放器等。
它可以提高医疗技术的精度和效率，为人类的健康做出贡献。
3、纳米材料制备光学微纳加工技术可以制造纳米材料，如纳米晶体、纳米管、纳米线等。
这些材料具有独特的物理性质和化学性质，可以应用于电子学、催化剂、能源材料等领域。
4、光学元件制造利用光学微纳加工技术，可以制造高精度的光学元件，如微电子学应用中的反射镜、透镜、棱镜等。
这些元件能够提高光学仪器的精度和灵敏度。
5、微机械应用光学微纳加工技术可以制造微机械器件，如微泵、微阀、微机械元器件等。
这些器件可以应用于生物医学、自动化控制系统、机器人等领域。
三、结论光学微纳加工技术的发展为微纳米加工技术和材料科学的发展奠定了坚实的基础。
微细和纳米加工技术 光学曝光技术(. 光刻胶的特性)
(b)高对比度胶形成的剖面
图2.12 不同对比度的胶形成的剖面形状 (负型胶，相同曝光与显影条件，计算机模拟结果)
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三、光刻胶的抗刻蚀比
★如果光刻胶图形将作为等离子体刻 蚀掩模，就需要有较高的抗刻蚀性。 ★这一性能通常是以刻蚀胶的速率与 刻蚀衬底材料的速率之比来表示的。 ★例如，某一光刻胶与硅的抗刻蚀比 为10，这说明当刻蚀硅的速率为1 μm／min时，胶的损失只有100 nm／min。 ★抗刻蚀比的高低也决定了要涂多厚 的胶才能实现对衬底材料某一深度 的刻蚀。
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对比度对光刻胶剖面形状的影响
★对比度直接影响到胶的分辨能力。对比度越大，剖面越陡。
★虽然曝光时间越长，曝光能量越大，剖面越陡，但是生产效率太低。
(a)正型胶显影曲线
(b)负型胶显影曲线
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不同对比度的胶形成的剖面形状
★不同对比度的胶所形成的图形轮廓不同。在同样的曝光条件下，由于胶 的对比度不同而形成了完全不同的曝光结果。
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二、光刻胶的对比度
★对比度高的光刻胶所得到的曝光图形具有 陡直的边壁和较高的图形高宽比。 ★对比度与灵敏度的定义如图中的显影曲线所示。该曲线也称做对比度函 数。显影曲线上的横坐标表示曝光剂量，纵坐标代表显影后胶膜留下的 厚度（归一化值）。显影曲线的斜率越大，光刻胶的对比度越高。
(a)正型胶显影曲线
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七、光刻胶的热流动性
★每一种胶都有一个玻璃化温度Tg 。超过这一温度，胶就会 呈熔融状态。
★由于已成型胶的热流动，会使显影形成的图形变形，影响 图形质量和分辨率。
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八、膨胀效应
★有些负型胶在显影过程中会发生膨胀现象。这主要是由于 显影液分子进入胶的分子链，使胶的体积增加，从而使胶 的图形变形。
微纳米加工技术
1.涂胶 1.1清洗硅片 1.2旋转匀胶 1.3 匀胶后烘 2.曝光 2.1对准和曝光 2.2曝光后烘 3.显影 3.1显影 3.2图形检查
4.刻蚀
（湿法、干法）
5.除胶
安全
化学制品安全 湿法清洗
–硫酸(H2SO4）:强腐蚀性 –双氧水(H2O2):强氧化剂 二甲苯(负胶溶剂和显影液):易 燃易爆 HMDS(前处理):易燃易爆 TMAH（正胶显影溶剂):有毒， 有腐蚀性 汞(Hg,UV lamp)蒸气 –高毒性; 氯(Cl2,受激准分子激光器) –有毒，有腐蚀性 氟(F2,受激准分子激光器) –有毒，有腐蚀性
1958年开始应用，并实现了平面晶体管的制作。
如何在硅片上制作微结构？
1.涂胶
1.1清洗硅片 1.2旋转匀胶 1.3 匀胶后烘
2.曝光
2.1对准和曝光 2.2曝光后烘
3.显影
3.1显影 3.2图形检查
4.刻蚀 5.除胶
1.涂胶
1.1清洗硅片
1.2旋转匀胶
1.3 匀胶后
烘
2.曝光 2.1对准和曝光 2.2曝光后烘 3.显影 3.1显影 3.2图形检查 4.刻蚀 5.除胶
其他加工方法
扫描隧道显微镜（STM）
电子/离子束加工
自组装纳米制造技术
与胶体化学联系
微纳米加工 胶体化学—— 具有特殊结构的
胶粒，赋予胶体特殊功能
胶体化学 微纳米加工——在微纳米加工中引
入胶体相关技术
物理、化学性质联系 微米/纳米级 胶体粒子 检测投影式
曝光光源选择 新型曝光技术
X射线，电子束，离子束
1.涂胶 1.1清洗硅片 1.2旋转匀胶 1.3 匀胶后烘 2.曝光 2.1对准和曝光 2.2曝光后烘
第二章-光学曝光技术PPT课件
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Intel巨资开发的Intel’s Micro Exposure Tool（MET）
IMEC开发的EUV alpha demonstration tool
敏感性
差
好 非常好 一般 一般
分辨率 很好 一般 很差 好 很好
侧壁光滑性 很好 很差 很差 好 很好
耐强腐蚀 差 很好 好 很差 很好
在基底地 好 好 好 差 好 粘附性能
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LIGA技术应用
微齿轮（sandia 国家实验室）
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LIGA技术的优点:
( 1) 深宽比大, 准确度高。所加工的图形准确度小于 0. 5微米, 表面粗糙度仅10nm, 侧壁垂直度>89. 9°, 纵向高度可500微米以上; ( 2) 用材广泛。从塑料( PMMA、聚甲醛、聚酰胺、 聚碳酸酯等) 到金属( Au, Ag, Ni, Cu) 到陶瓷( ZnO2) 等, 都可以用LIGA技术实现三维微结构; ( 3) 由于采用微复制技术, 可降低成本, 进行批量生 产。 LIGA的缺点： （1）成本昂贵（X光源需要昂贵的加速器） （2）用于X光光刻的掩膜板本身就是3D微结构，复 杂，周期长
东南大学 · 南京
MEMS
教育部重点实验室
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(1) 光学无掩模光刻
无掩膜光刻技术的两大研究方向为光学无掩模光刻（Optical Maskless Lithography）和带电粒子无掩膜光刻（Charged Particle Maskless Lithography）。
光学无掩膜技术是从传统的光学光刻机 构造发展而来的，最大的不同是掩膜版 被一排光调制器（DMD，Digital Micromirror Device，数字微镜阵列）取代， 通过实时控制制作出需要的图形。
(完整版)微纳加工
(完整版)微纳加工微纳加工是一种先进的制造技术，通过对材料进行精确控制和处理，实现微小尺度器件的制作和加工。
本文将详细介绍微纳加工的原理、应用以及对现代工业的影响。
一、微纳加工原理微纳加工是利用光刻、湿法腐蚀、干法刻蚀、电解沉积等技术，对微米、纳米尺度材料进行加工和制造。
其主要原理包括以下几个方面：1. 光刻技术：利用光敏材料和光掩膜，通过曝光、显影等工艺步骤，在材料表面形成微米级、纳米级的图案，用于制作微小器件的结构。
2. 湿法腐蚀：通过浸泡在特定液体中，使材料表面发生化学反应，从而控制材料的蚀刻速率和形貌，进而制作出所需结构。
3. 干法刻蚀：利用高能粒子束、等离子体或激光等，将材料进行物理或化学蚀刻，实现微细结构的形成。
4. 电解沉积：通过电解反应，在导电物质上沉积金属、合金或其他化合物，形成所需形貌和厚度的微细结构。
二、微纳加工应用微纳加工技术的应用范围广泛，涵盖了电子、光学、生物医学等多个领域。
以下是几个典型的应用实例：1. 微电子工业：微纳加工技术是集成电路制造的基础，通过微米级的光刻和刻蚀工艺，制作出复杂的电路结构和器件。
这不仅推动了电子产品的小型化和功能化，还提高了整个电子产业的水平和竞争力。
2. 光学器件：微纳加工技术可用于制作光栅、光波导、光纤连接器等光学器件，实现光信息的传输和控制。
同时，通过微细结构的设计和制造，还能改变光的传播性质，创造出新型的光学器件。
3. 生物医学：微纳加工技术在生物医学领域有着广泛的应用。
例如，通过微纳米结构的制造，可以实现细胞的操控和观察，探索细胞的行为和机理。
此外，微纳加工技术还可以制作微流控芯片、生物传感器等，用于生物分析和医学诊断。
4. 传感器与检测：利用微纳加工技术，可以制作出高灵敏度、高稳定性的传感器和检测器件。
这些传感器可以应用于环境监测、工业控制、生物检测等领域，为人们提供精确、可靠的测量和监测手段。
三、微纳加工对现代工业的影响微纳加工技术的发展对现代工业产生了深远的影响：1. 产品创新：微纳加工技术为产品的创新提供了新的可能性。
微细加工与MEMS技术光学光刻PPT学习教案
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透镜俘获衍射光NA
石英
铬 4 3 2 1
UV 0
衍射图形
掩膜版
4
3 2 1
透镜
数值孔径(NA)：透镜收集衍射光的能力。
NA
n
Sinm
n
透镜的半径 透镜的焦长
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焦深 代表当硅片沿光路方向移动时能保持良好聚焦的移
分辨率的主要因素。
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三、分步重复缩小投影光刻机 随着线宽的不断减小和晶片直径的增大，分辨率与焦深的 矛盾、线宽与视场的矛盾 越来越严重。为解决这些问题，开 发出了分步重复缩小投影曝光机（ Direct Step on the Wafer ，简称 DSW，Stepper）。早期采用 10 : 1 缩小，现在更常用 的是 5 : 1 或 4 : 1。
i hg
准分子激光
汞灯
Photolithography light sources
可见光谱：波长在390nm到780nm之间； 紫外光谱：波长在4nm到450nm之间。
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接触式
有掩模方式
接近式
非接触式
反射
投影式
全场投影
曝
光
折射 步进投影
方
扫描步进投影
式
矢量扫描
无掩模方式
光栅扫描
（聚焦扫描方式） 混合扫描
10 10
810
610
410
(m)
-14 10
-12 10
-10 10
-8 10
-6 10
-4 10
-2 10
010
微纳米加工技术及其应用
绪论1：纳米技术是制造和应用具有纳米量级的功能结构的技术，这些功能结构至少在一个方向的几何尺寸小于100nm。
2：微纳米技术包括集成电路技术，微系统技术和纳米技术；而微纳米加工技术可获得微纳米尺度的功能结构和器件。
3：平面集成加工是微纳米加工技术的基础，其基本思想是将微纳米机构通过逐层叠加的方式筑在平面衬底材料上。
（类似于3d打印机？）4：微纳米加工技术由三个部分组成：薄膜沉积，图形成像（必不可少），图形转移。
如果加工材料不是衬底本身材料需进行薄膜沉积，成像材料的图形需转化为沉积材料的图形时需进行图形转移。
（衬底材料，成像材料，沉积材料的区别和联系）5：图形成像工艺可分为三种类型：平面图形化工艺，探针图形化工艺，模型图形化工艺。
平面图形化工艺的核心是平行成像特性，其主流的方法是光学曝光即“光刻“技术；探针图形化工艺是一种逐点扫描成像技术，探针既有固态的也有非固态的，由于其逐点扫描，故其成像速度远低于平行成像方法；模型图形化工艺是利用微纳米尺寸的模具复制出相应的微纳米结构，典型工艺是纳米压印技术，还包括模压和模铸技术。
6：微米加工和纳米加工的主要区别体现在被加工结构的尺度上，一般以100nm 作为分界点。
光学曝光技术1：光学曝光方式和原理可分为掩模对准式曝光和投影式曝光。
其中，掩模对准式曝光又可分为接触式曝光和邻近式曝光，投影式曝光又可分为1∶1投影和缩小投影（一般为1∶4和1∶5）。
接触式曝光可分为硬接触和软接触。
其特点是：图形保真度高，图形质量高，但由于掩模与光刻胶直接接触，掩模会受到损伤，使得掩模的使用寿命较低。
采用邻近式曝光可以克服以上的缺点，提高掩模寿命，但由于间隙的存在，使得曝光的分辨率低，均匀性差。
掩模间隙与图形保真度之间的关系W=k√λz其中w为模糊区的宽度。
掩模对准式曝光机基本组成包括：光源（通常为汞灯），掩模架，硅片台。
适用范围：掩模对准式曝光已不再适用于大规模集成电路的生产，但却广泛应用于小批量，科研性质的以及分辨率要求不高的微细加工中。
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分布重复缩小投影曝光
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分布重复缩小投影曝光的原理
分布重复缩 小投影曝ຫໍສະໝຸດ 示意图★也可以使掩模与胶表面保持一定间隙，成为接近式曝光。这 一间隙可以控制在几微米到几十微米(典型值为5～50μm)。 但必须注意，该间隙会影响到光学成像的质量。
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接近式曝光及其优缺点
优点： 接近式曝光 可以避免掩 模的玷污和 损伤。
缺点： 随着集成电路集成度不断提高，特征线宽愈来愈小， 当特征线宽减小到可与曝光所用的波长相比拟时， 则光通过掩模窗口产生的衍射效应会使分辨率变坏， 成为提高光刻分辨率的主要限制因素。
第2章 光学曝光技术
2.1 引言
光刻加工 技术是一 种图形复 印和腐蚀 相结合的 表面微细 加工技术。
加工的对象
金属（如钼、铜、低碳钢等）；
半导体（如硅）；
介质（如玻璃）等材料。
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光刻加工工艺的基本过程
★衬底准备→ 涂胶→ 前烘→ 曝光 → 显影→ 坚膜→ 腐蚀 →去胶
（a）负极性光致抗蚀剂： 光照后，不溶解于显影液，光 照处 抗蚀剂留下。
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掩模对准式曝光中间隙g对曝光质量的影响
★可以看出掩模与胶表面的间 隙g会造成光强分布的失真， 因此理想的接触式曝光应当 是硬接触曝光。
★但硬接触曝光的致命缺点是 掩模的损伤，这种损伤可能 是接触摩擦对铬层的破坏， 也可能是部分光刻胶由于硬 接触而黏附到掩模版上。
★总之，早期采用接触式曝光 时，光学掩模版的使用寿命 极低。如果是光刻胶黏附污 染，则可以通过清洗使掩模 版再度可用，但这大大降低 了生产率。
①所谓硬接触就是掩模版与涂胶的硅 片通过施加压力的方式来实现完全 接触。
②当然，通过调整压力的大小也可以 实现软接触。
接触式曝光具有高分辨率、设 备简单、操作方便、生产效率 高和成本低等优点。
接触式曝光的缺点是因机械接
触容易损伤掩模版，因而使用
寿命短，多次使用严重影响芯
片成品率。
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2．接近式曝光（非接触式光学曝光）
图2.3 掩模对准式曝光中掩模与胶表面间隙对9胶 表面光强分布的影响 (计算机模拟结果)
影响接近式曝光分辨率的因素
★掩模间隙与曝光图形保真度之间的关系可以由下式表示：
W k z
W：模糊区宽度，或者说是 胶平面实际成像尺寸与 掩模图形设计尺寸之差；
λ：照明光波长； z：掩模与胶平面的间隙； k：一个与工艺条件有关的
★在缩小投影曝光中，采用把大视场分割成很多小视场的方法，即图所示
的1，2，3，…，分割区域。精密定位的机械系统将中间掩模和片子同步
移到某个小视场里，光学系统对这个小视场进行缩小投影曝光。如图(b)
所示。
★当前一个视场曝光完毕后，机械系统又将中间掩模和片子移动到下一个
小视场里进行缩小投影曝光，直到中间掩模的图象全部一对一地复印到
★按照投影成像倍数 的不同，投影曝光 可分为1：1投影曝 光和缩小投影曝光 两种方式。
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1. 1：1投影曝光
★1：1投影曝光是将含有芯片图形阵列的掩模片的整个版面， 通过投影成像方式，等倍地复制到基片上，实现非接触式投 影复印曝光。
1：1投影通过光学成像的方法将掩模图形投影到硅片表
优 面，图像质量完全取决于光学成像系统，与掩模- 硅片 点 之间的距离无关，这样就彻底克服了前面提到的接近式
（b）正极性光致抗蚀剂： 光照后，能溶解 于显影液，不照处 抗蚀剂留下。
★从光刻加工工艺的基本过程可以看出，光刻加工的基本过程包括衬底准备、
涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶等工艺，其中曝光工艺是光
刻加工中最为关键的技术。
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2.2 光学曝光方式与原理
★光学曝光方式基本上可以划分为掩模对准式曝光与投影式曝 光2类。
曝光中光学成像不一致的缺点。
缺 点
但1：1成像要求掩模的图形与硅片上做出的图形一样大 小。随着集成电路最小图形尺寸的减小，使1：1投影曝
光的掩模版制作越来越困难。
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2. 缩小投影曝光
★缩小投影曝光就是在1：1投影曝光结构原理的基础上，把中 间掩模图形加以缩小投影到片子上进行曝光。例如，缩小率 有1/10、 1/7 、 1/4等。
整个基片表面为止。
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分布重复缩小投影曝光的优缺点
优点
★分布重复缩小投影曝光的优点是显著的。对于一块并不“十分平整”(如 不平整度在微米量级)的片子，如果将其分割成很多小单元，那么，在这 个小单元里，相对来说，就可认为“比较平整”了。这样，在小视场内 就可以采用较大数值孔径的投影系统，提高图形分辨率。因此，光学分 步重复投影系统能够在衬底有形变和不十分平整的情况下，以较高的分 辨率复印图形。
参数。
★由式可见，若要曝光成像与掩模设计图形尽可能一致，只有 减小间隙和缩短照明波长。
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2.2.2投影式曝光
★投影式曝光既有接触式曝光的高分辨率，而又避免了接触式 曝光容易产生缺陷的弊端。
★光学投影成像曝光技术是用光学投影的方法将掩模版图形的 影像(以等倍方式或缩小的方式)投影在半导体基片表面上，这 时掩模版作为光学成像系统的物方，基片表面上的光致抗蚀 剂层为像方。
★缩小投影曝光中，因为掩模的尺寸比曝光的片子尺寸大很多倍，所以， 掩模尺寸及掩模图形线条可做得较大，使得掩模制造方便，精度也高。
★ 掩模对准式曝光包括接触式曝光与接近式曝光。 ★投影式曝光包括1：1投影和缩小投影(如5：1缩小)。
缩小投影曝光系统又称为步进投影曝光机。
光学曝光方式
掩模对准式曝光
投影式曝光
接触式曝光
接近式曝光 1:1投影式曝光 缩小投影式曝光
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光学曝光方式
★接触式、接近式与投影式3种曝光方式的示意图：
掩模对准式曝光
图2.2 接触式、接近式与投影式3种曝光方式的示意
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图
2.2.1掩模对准式曝光
★掩模对准式曝光可以真实地再现掩模图形，但是它要求掩模必 须与光刻胶表面完全接触。
★掩模对准式曝光又可分为接触式曝光和接近式曝光（非接触式 光学曝光）。
掩模对准式曝光
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1．接触式曝光
★接触式曝光又可分为 ①硬接触与②软接触 曝光。