ASML之外，另一种光刻机了解下：3D直写光刻

时间：2020-11-20 10:34:15

关键字：光刻机半导体

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[导读]光刻是当前半导体、平板显示、MEMS、光电子等行业的关键工艺环节。光刻技术是指在短波长光照作用下，以光刻胶为介质，将微纳图形制备到基片上的技术。

背景概念‍

光刻的概念：光刻是当前半导体、平板显示、MEMS、光电子等行业的关键工艺环节。光刻技术是指在短波长光照作用下，以光刻胶（光致抗蚀剂、photoresist）为介质，将微纳图形制备到基片上的技术。以半导体工艺为例，半导体器件由多种专用材料经过光刻、离子刻蚀、抛光等复杂微纳加工流程而完成。光刻设备是半导体工艺中最核心的装备，在掩模版制备、芯片制造和封装环节都使用了光刻技术。

ASML之外，另一种光刻机了解下：3D直写光刻

光刻在半导体制程中的作用示意图

光刻技术类型分为直写光刻和投影光刻两个大类。其中直写光刻是器件中微纳结构源头制备的关键环节，实现将计算机设计数据制备到特定基板上，形成高精度微纳结构的图形布局。

直写光刻的概念：直写光刻系统在英文中被称为Pattern Generator，是微纳图形生成的手段，将计算机设计的GDSII、DXF等图形文件制作成实物版图。

用传统打印与复印的区别来打个比方：

· 直写光刻是打印，将计算机中的文件打印出来。

· 投影光刻是复印，实现器件制造的批量化。不过这个“复印”过程需要多套图形的对准复印，要求极高的对准精度、分辨率和一致性。

光刻技术分类及作用

激光直写和电子束直写是产业中两项主要的直写技术。激光直写可以满足半导体0.25微米及以上节点掩模版制备，以及0.25微米以下部分掩模版制备。当前半导体掩模版总量的约75%由激光直写设备制备，其余掩模版由电子束直写设备完成。平板显示领域的大幅面掩模版，100%由激光直写设备制备。

在投影光刻领域，半导体采用微缩投影光刻技术，代表性供应商是荷兰ASML；平板显示采用大幅面投影光刻，代表性厂商是日本尼康。在诸多研发、MEMS、LED等领域，掩模版接触/接近式光刻依然广泛使用。

光刻技术类型示意图

先进激光直写光刻技术

直写光刻与投影光刻技术是当前产业中分工明确的两类光刻技术，投影光刻具有更高的线宽分辨率、精度和生产效率的特点。虽然直写光刻还不能满足器件大规模制造的需求，但在电路板行业，激光直写替代传统曝光机是明确的趋势，实现无掩模光刻一直是产业追求的理想目标，可减少昂贵掩模版的支出，提升新品开发效率，满足小批量多样化生产需求。此外，直写光刻由于其数字化的属性，具有更高的灵活性和广泛适应性。可开发创新的曝光方式，作为数字化微纳加工的基础性技术，从而有望成为半导体、光电子相关产业中工艺迭代升级、新产品创新的关键性技术。

在具有衬底翘曲、基片变形的光刻应用领域，直写光刻的自适应调整能力，使之具有成品率高、一致性好的优点。如FanOut、COF等先进封装模式的发展，封装光刻技术需要具有更小的线宽、更大的幅面、更好的图形对准套刻适应能力。

在微纳光电子新兴领域，ALoT的发展需要大量光电传感器件的创新研发。3Ｄ光刻与微纳制造是光电子产品创新的基石性技术，具有众多的产业应用价值，如3D感知、增强现实显示、光传感器件（如TOF）、超薄成像、立体显示、新型光学膜等。微纳光子器件逐步在智能手机、增强现实AR、车载领域应用。与集成电路图形不同，微纳光子传感器件要求更高的位置排列精度及纵向面型精度、结构形貌具有密集连续曲面形貌的特点。因此，新型3D直写光刻技术，实现曝光写入剂量与位置形貌精确匹配，是制备新型光电子传感器件级微纳结构形貌的创新技术路径。

3D直写光刻技术进展

苏大维格通过产学研合作，一直致力于推进3D直写光刻技术开发与应用，解决了多项行业挑战：

大面积微纳结构形貌的数字设计，海量数据处理与先进算法，可达百Tb量级数据量

海量数据数据压缩传输、高速率光电转换技术

数字光场形成三维形貌的曝光模式与机理，3D临近效应校正技术

微纳结构形貌精确光刻工艺和运行模式

大型运动平台与光机系统的制造工艺、纳米精度控制技术

当前已经取得了3D光刻工艺突破，实现了光刻胶3D形貌可控制备。SEM结果举例如下：

芯片光掩模

超薄菲涅尔成像透镜