03 光刻机结构及工作原理1
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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. Shiyuan Liu
Page 2
上讲内容：完整的IC制造工艺流程
Prof. Shiyuan Liu
Page 3
上讲内容：微电子制造装备概述
加法工艺
减法工艺 辅助工艺 图形转移工艺 后道工艺
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. Shiyuan Liu
Page 37
* 汞灯光源
光刻机结构原理：曝光系统
Prof. Shiyuan Liu
Page 38
光刻机结构：曝光系统
* 激光器
中心波长 波长带宽 脉冲频率 脉冲能量 输出功率
193.365 nm 0.3 pm 4000 Hz 5 mJ 20 W
Prof. Shiyuan Liu
Page 39
* 离轴照明
光刻机结构：曝光系统
Prof. Shiyuan Liu
Page 40
光刻机结构：曝光系统
顶部模块 (Top Modular)
Prof. Shiyuan Liu
Page 41
Prof. Shiyuan Liu
Page 14
光刻机简介
Prof. Shiyuan Liu
Page 15
光刻机简介
Prof. Shiyuan Liu
Page 16
Development of lithography system
Prof. Shiyuan Liu
Page 17
* 光刻机发展路线图1
32 8 Scan
22x4=88
Reticle
Z Y Projection Lens(-1/4x) X NA Wafer
22
Prof. Shiyuan Liu
Page 26
* 光刻机 (汞灯)
光刻机总体结构
Prof. Shiyuan Liu
Page 27
* 光刻机 (激光器)
光刻机总体结构
Prof. Shiyuan Liu
Light
source
v
Condenser lens
reticle
v v v
v v v
Objective lens
wafer
Aperture stop
Prof. Shiyuan Liu
Page 44
Imaging Principle: Fourier Optics
Prof. Shiyuan Liu
Page 28
Step and Scan System
Reticle (Mask)
193 nm Excimer Laser Source
Prof. Shiyuan Liu
Computer Console
Exposure Column (Lens)
Wafer
Page 29
光刻机总体结构
照明系统 掩模台系统 自动对准系统 调平调焦测量系
湿法刻蚀机 反应离子刻蚀机
CMP抛光机 硅片清洗机
光刻机 涂胶显影设备
测试设备 划片机 键合机
Page 4
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
曝光后烘焙
旋转涂胶
显影
软烘 对准和曝光
Prof. Shiyuan Liu
坚膜烘焙 显影检查
Page 5
上讲内容：光刻与光刻机
➢ 对准和曝光在光刻机(Lithography Tool)内进行。 ➢ 其它工艺在涂胶显影机(Track)上进行。
Prof. Shiyuan Liu
Page 8
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. Shiyuan Liu
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：13986163191 电子邮件：shyliu@
机械学院先进制造大楼B310 武汉光电国家实验室B102
Prof. Shiyuan Liu
Page 1
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
Movable lenses
Collimator lens Condensor lens
Filter (or window)
Reticle
DOE1
PSD1 PSD2
Light trap
Variable Attenuator BS1
M7 M6
M5 Beam Steering Unit
L2
L3
BS2
M9
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光刻机原理
Image (on reticle)
die
Image (on wafer)
wafer
Cell
Page 22
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)。
* 曝光系统工作原O理ptical Arrangement of Exposure System
Energy Detection Unit
Photodiode
ArF Excimer Laser Beam Expander CL1 CL2 M1
Safety shutter M3
L1 M2
M4 Beam Delivery
CaF2 rod L4
Light trapBS3
Beam Uniformizer
DOE2 L5
CaF2 rod
Filter
Illumination Lens Variable Group slit
M10
Beam Shaper
Zoom expander
Movable axicon Fixed axicon Fixed lenses
➢ 标准晶片尺寸和厚度为：
✓ 100mm (4”) x 500μm ✓ 150mm (6”) x 750 μm ✓ 200mm (8”) x 1mm ✓ 300mm (12”) x 750μm
Prof. Shiyuan Liu
Page 23
硅片
➢ Wafer type:
✓ SEMI ✓ JEIDA
Page 25
光刻机重要设计指标
Numerical Aperture of Projection Lens
Litho. Resolution (Lines/Spaces)
Image Size
Magnification Depth of Focus
0.75~0.50
100nm
22mm8mm -0.25 0.60m (@130nm resolution) 0.50m (@100nm resolution)
Page 9
* 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. Shiyuan Liu
Page 10
光刻机简介
* 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！
Prof. Shiyuan Liu
➢ Diameter：
✓ 8 inch - 200mm ✓ 12 inch – 300mm
➢ Notch：Y/N
✓ Flat edge length
➢ Clearance
✓ Round ✓ Flat
SEMI = Semiconductor Equipment and Materials International JEIDA = Japan Electronic Industries Development Association
Page 45
Definition of Numerical Aperture (NA)
NA = Numerical Aperture = Angular Measure of Lens Size
Prof. Shiyuan Liu
Page 24
光刻机重要评价指标
❖ CD Line width（线宽） ❖ Overlay（套刻精度） ❖ Field size（场尺寸） ❖ Throughput（生产率）
Y X
Wph
CD = Critical Dimension
Prof. Shiyuan Liu
M8
Beam Sampling Unit
Projection Lens
Fixed lens groups
Last plate Wafer Lens image sensor(LIS)
Fixed lens groups Lens Z1 Lens Z2 Lens Z3 NA(variable) Lens X-Y
统 框架减振系统
环境控制系统 掩模传输系统 投影物镜系统 硅片传输系统
工件台系统
Prof. Shiyuan Liu
整机控制系统
整机软件系统
Page 30
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
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Page 6
ห้องสมุดไป่ตู้
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. Shiyuan Liu
Page 7
* 微电子装备
光刻机简介
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！
Spot energy sensor
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Page 34
光刻机结构：曝光系统
* 曝光系统结构1
Prof. Shiyuan Liu
Page 35
光刻机结构：曝光系统
* 曝光系统结构2
Prof. Shiyuan Liu
Page 36
光刻机结构：曝光系统
* 曝光波长 汞灯：g-Line (453 nm)、h-Line (405 nm)、i-Line (365 nm) 准分子激光器：KrF (248 nm)、ArF (193 nm)、F2 (157 nm) 极紫外光源：EUV (13 nm)
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Page 31
* 曝光系统
光刻机结构：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. Shiyuan Liu
Page 32
光刻机结构：曝光系统
* 曝光系统总体结构
Prof. Shiyuan Liu
Page 33
光刻机结构：曝光系统
Page 11
光刻工艺流程
Prof. Shiyuan Liu
Page 12
光刻机简介
➢ Lithography = Transfer the pattern of circuitry from a mask onto a wafer.
Prof. Shiyuan Liu
Page 13
光刻机简介
* 对准曝光工作流程
光刻机简介
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Page 18
* 光刻机发展路线图2
光刻机简介
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Page 19
光刻机简介
光 刻 机 三 巨 头
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光刻机原理
➢Reticle (Mask) ➢Wafer ➢Light ➢Lens ➢Photoresist
光刻机结构：曝光系统
* 刀口狭缝Slit
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Page 42
* 投影物镜
光刻机结构：曝光系统
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. Shiyuan Liu
Page 43
光刻机工作原理：成像原理 Imaging Principle: Optical Projection
Prof. Shiyuan Liu
➢ 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
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
Reticle pattern size
Exposure field size on wafer (max)
Scanning speed (max) reticle stage wafer stage
88mm128mm 22mm 32mm
1000mm/s 250mm/s
Exposure Field
32x4=128 8x4=32 Scan
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上讲内容：完整的IC制造工艺流程
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上讲内容：微电子制造装备概述
加法工艺
减法工艺 辅助工艺 图形转移工艺 后道工艺
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…
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* 汞灯光源
光刻机结构原理：曝光系统
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光刻机结构：曝光系统
* 激光器
中心波长 波长带宽 脉冲频率 脉冲能量 输出功率
193.365 nm 0.3 pm 4000 Hz 5 mJ 20 W
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* 离轴照明
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光刻机结构：曝光系统
顶部模块 (Top Modular)
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Development of lithography system
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* 光刻机发展路线图1
32 8 Scan
22x4=88
Reticle
Z Y Projection Lens(-1/4x) X NA Wafer
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* 光刻机 (汞灯)
光刻机总体结构
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* 光刻机 (激光器)
光刻机总体结构
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Light
source
v
Condenser lens
reticle
v v v
v v v
Objective lens
wafer
Aperture stop
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Imaging Principle: Fourier Optics
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Step and Scan System
Reticle (Mask)
193 nm Excimer Laser Source
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Computer Console
Exposure Column (Lens)
Wafer
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光刻机总体结构
照明系统 掩模台系统 自动对准系统 调平调焦测量系
湿法刻蚀机 反应离子刻蚀机
CMP抛光机 硅片清洗机
光刻机 涂胶显影设备
测试设备 划片机 键合机
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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
曝光后烘焙
旋转涂胶
显影
软烘 对准和曝光
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坚膜烘焙 显影检查
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上讲内容：光刻与光刻机
➢ 对准和曝光在光刻机(Lithography Tool)内进行。 ➢ 其它工艺在涂胶显影机(Track)上进行。
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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！
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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：13986163191 电子邮件：shyliu@
机械学院先进制造大楼B310 武汉光电国家实验室B102
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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
Movable lenses
Collimator lens Condensor lens
Filter (or window)
Reticle
DOE1
PSD1 PSD2
Light trap
Variable Attenuator BS1
M7 M6
M5 Beam Steering Unit
L2
L3
BS2
M9
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光刻机原理
Image (on reticle)
die
Image (on wafer)
wafer
Cell
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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)。
* 曝光系统工作原O理ptical Arrangement of Exposure System
Energy Detection Unit
Photodiode
ArF Excimer Laser Beam Expander CL1 CL2 M1
Safety shutter M3
L1 M2
M4 Beam Delivery
CaF2 rod L4
Light trapBS3
Beam Uniformizer
DOE2 L5
CaF2 rod
Filter
Illumination Lens Variable Group slit
M10
Beam Shaper
Zoom expander
Movable axicon Fixed axicon Fixed lenses
➢ 标准晶片尺寸和厚度为：
✓ 100mm (4”) x 500μm ✓ 150mm (6”) x 750 μm ✓ 200mm (8”) x 1mm ✓ 300mm (12”) x 750μm
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硅片
➢ Wafer type:
✓ SEMI ✓ JEIDA
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光刻机重要设计指标
Numerical Aperture of Projection Lens
Litho. Resolution (Lines/Spaces)
Image Size
Magnification Depth of Focus
0.75~0.50
100nm
22mm8mm -0.25 0.60m (@130nm resolution) 0.50m (@100nm resolution)
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* 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
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光刻机简介
* 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！
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➢ Diameter：
✓ 8 inch - 200mm ✓ 12 inch – 300mm
➢ Notch：Y/N
✓ Flat edge length
➢ Clearance
✓ Round ✓ Flat
SEMI = Semiconductor Equipment and Materials International JEIDA = Japan Electronic Industries Development Association
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Definition of Numerical Aperture (NA)
NA = Numerical Aperture = Angular Measure of Lens Size
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光刻机重要评价指标
❖ CD Line width（线宽） ❖ Overlay（套刻精度） ❖ Field size（场尺寸） ❖ Throughput（生产率）
Y X
Wph
CD = Critical Dimension
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M8
Beam Sampling Unit
Projection Lens
Fixed lens groups
Last plate Wafer Lens image sensor(LIS)
Fixed lens groups Lens Z1 Lens Z2 Lens Z3 NA(variable) Lens X-Y
统 框架减振系统
环境控制系统 掩模传输系统 投影物镜系统 硅片传输系统
工件台系统
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整机控制系统
整机软件系统
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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
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➢ 光刻机简介 ➢ 光刻机结构及工作原理
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* 微电子装备
光刻机简介
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！
Spot energy sensor
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光刻机结构：曝光系统
* 曝光系统结构1
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光刻机结构：曝光系统
* 曝光系统结构2
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* 曝光波长 汞灯：g-Line (453 nm)、h-Line (405 nm)、i-Line (365 nm) 准分子激光器：KrF (248 nm)、ArF (193 nm)、F2 (157 nm) 极紫外光源：EUV (13 nm)
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* 曝光系统
光刻机结构：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
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光刻机结构：曝光系统
* 曝光系统总体结构
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光刻机结构：曝光系统
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光刻工艺流程
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光刻机简介
➢ Lithography = Transfer the pattern of circuitry from a mask onto a wafer.
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光刻机简介
* 对准曝光工作流程
光刻机简介
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* 光刻机发展路线图2
光刻机简介
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光刻机简介
光 刻 机 三 巨 头
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光刻机原理
➢Reticle (Mask) ➢Wafer ➢Light ➢Lens ➢Photoresist
光刻机结构：曝光系统
* 刀口狭缝Slit
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* 投影物镜
光刻机结构：曝光系统
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
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光刻机工作原理：成像原理 Imaging Principle: Optical Projection
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➢ 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
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
Reticle pattern size
Exposure field size on wafer (max)
Scanning speed (max) reticle stage wafer stage
88mm128mm 22mm 32mm
1000mm/s 250mm/s
Exposure Field
32x4=128 8x4=32 Scan