微光刻与微纳米加工技术109页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

1、晶圆处理工序
• 本工序的主要工作是在晶圆上制作电路及 电子元件（如晶体管、电容、逻辑开关 等），其处理程序通常与产品种类和所使 用的技术有关，但一般基本步骤是先将晶 圆适当清洗，再在其表面进行氧化及化学 气相沉积，然后进行涂膜、曝光、显影、 蚀刻、离子植入、金属溅镀等反复步骤， 最终在晶圆上完成数层电路及元件加工与 制作。
微纳技术的重要地位
• 微纳技术是继IT、生物之后。21世纪最具 发展潜力的高新技术，是未来十年高增长 的新兴产业。也是高新技术产业发展新的 增长点，同样也是当今高科技发展的重要 领域之一。
数码相机的镜头， 数码相机的镜头，镜片生产方式
• 一、光学冷加工（传统的生产方式） • 二、以冲压形式生产
冲压式生产时的模床控制与加工精 度
• 冲压式生产的设备都是特制的，控制采用 开放式工业级计算机架构，外接普通笔记 本电脑，应用VB编程实现对马达与盛物台 的控制。马达基本控制采用omoron变频器 实现转速控制。马达是气动的，采用压缩 空气做支撑与驱动，当然采用别的形式也 行。马达转速要求20000+—1每分。冲压采 用机器人自动冲压，真空加热炉中采用类 似于磁控管方式实现急热，冷却时使用氮 气。
硬盘加工
• 硬盘作为计算机数据存储的主要部件，其 磁存储密度不断上升，磁头与磁盘磁介质 之间的距离进一步减小，对磁盘表面质量 的要求也越来越高。
• 一方面，当硬盘表面具有波度时，磁头就 会随着高速旋转的存储器硬盘的波动上下 运动，当波度超过一定的高度时，磁头就 不再能随着波度运动，它就会与磁盘基片 表面碰撞，发生所谓的“磁头压碎”导致 磁盘设备发生故障或读写信息的错误。
3、构装工序
• 就是将单个的晶粒固定在塑胶或陶瓷制的 芯片基座上，并把晶粒上蚀刻出的一些引 接线端与基座底部伸出的插脚连接，以作 为与外界电路板连接之用，最后盖上塑胶 盖板，用胶水封死。其目的是用以保护晶 粒避免受到机械刮伤或高温破坏。到此才 算制成了一块集成电路芯片（即我们在电 脑里可以看到的那些黑色或褐色，两边或 四边带有许多插脚或引线的矩形小块）。

7.69 * 10 14≤紫外线≤3*10 17Hz 10 2
10 16≤
光微 区纳 加
工
X-射线≤
10
10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8
10-9
埃 10-10
10-4
10-5 10-6 10-7 10-8 10-9
10-12 10-15
5*10 19Hz ≤
γ - 射线
射光 线刻 区光
7
Hz 频率
10 4 10 5 10 6 10 7
Hz 频率 波长 m
10 15
10 12 10 9 10 6 10 3
微光刻技术既伟大也很微小
当今世界各行各业都离不开信息科学 信息科学离不开计算机技术 计算机 技术的发展离不开微电子技术 微电 子技术工艺基础是微光刻技术 微光刻技术一次又一次突破 分辨率极限，使微电子技术得以创造 了如此伟大的人间奇迹
细细回味： 几十年来微光刻技 术把微细加工尺寸从微米级推 进到纳米级，与在人类从宇宙太空到原子世界的整个研究 探索领域相比，也只是微小的一段。
人类探索太空 最长的尺度
艾米 10 18 m 拍米 10 15 m 太米 10 12 m 吉米 10 9 m 兆米 10 6 m
hm Hectometre dam Decametre
dm decimetre cm centimetre
自然界的尺度与微光刻技术—长度
物理学研究对象的空间尺度跨越60多个长度尺寸的数量级 秒差距 最近恒星距离 10 18 m 银河系 10 21m Em Exametre 天体物理 3.0857＊10 16 m 光年 Pm Petametre 0.94605＊10 16 m 宏观太空 太阳系 10 12m 天文单位 Tm Terametre (垓) 探索领域 1.4959787 ＊10 11 m Gm Gigametr (京) 大气物理 地球直径 地球物理 1.275628＊10 7m Mm Megametre 中观人类 Km Kilometre 活动制造 人类以人体尺度为 领域 m metre 长度基本单位 经典物理 毛发尺度10 -4m µm micrometre 细胞 / 分子尺度 生物物理 微光刻技术加工尺度 nm nanometre (纤) 原子尺度 核物理 Å Angstrom pm picometre (沙) 核外电子分布半径10 -10 m

聚焦离子束技术
特点：精度高、可控性好、 可加工复杂结构
原理：利用高能量的离子束 轰击材料表面，形成微纳结 构
应用：微纳电子、微纳光学、 微纳机械等领域
发展趋势：与光刻技术相结 合，提高加工精度和效率
化学气相沉积技术
原理：通过化学反应在气相中形成 薄膜
应用：广泛应用于微电子、光电子 等领域
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热管理：微纳加工 技术用于制造高性 能的热管理设备， 如热交换器、散热 器等
06
微纳加工技术的挑战与 展望
微纳加工技术的挑战
精度要求高：需要达到纳 米级精度
材料选择困难：需要选择 适合微纳加工的材料
工艺复杂：需要掌握多种 微纳加工工艺
成本高昂：微纳加工设备 的研发和制造成本高
微纳加工技术的发展趋势
2004年，美国科学家查尔斯·利伯发明 纳米碳管，为纳米材料研究提供新方向
2010年，美国科学家乔治·怀特塞兹发 明石墨烯，为纳米电子学研究提供新领 域
03
微纳加工技术的基本原 理
微纳加工技术的物理基础
微纳加工技术的基本原理： 利用物理或化学方法，在微 米或纳米尺度上对材料进行 加工
物理基础：包括光学、电学、 磁学、热学等物理原理
微纳加工技术在生物医学 领域的应用
微纳加工技术在生物医学 领域的优势
微纳加工技术在生物医学 领域的挑战
微纳加工技术在生物医学 领域的未来发展趋势
能源领域的微纳加工技术应用
太阳能电池：微纳 加工技术用于提高 太阳能电池的效率 和稳定性
燃料电池：微纳加 工技术用于制造高 性能的燃料电池电 极
储能设备：微纳加 工技术用于制造高 性能的储能设备， 如超级电容器、锂 离子电池等