半导体的重中之重！做不好可以重来的工艺--曝光工艺！
相信大家都有这样的经验，拍照的时候手抖了，照片很糊，拍照的时候光太强了，照片惨白，拍照的时候光太暗了，黑乎乎的，拍照的时候光也挺好，照的也清晰，照片歪了.....这些情况，拍出来的照片都不理想，根本到不了美颜那步就被pass了，换一张好看的，有木有！！举手抢答^_^，曝光工艺做不好也可以pass掉冲做，因为光刻胶可以去掉，那就去掉后再重新涂胶，曝光，显影，但是这些一定是不能发生在光刻工艺完成了，其他工艺也已经做过了的前提下，切忌！一定是在光刻工艺结束的目检前来返工重做。
看到这么美的景色，是不是心旷神怡啊！对的，光刻工艺的重中之重就是曝光，曝光做的好坏直接决定工艺的好坏成败哦！下面我们开始详细解说。
为了将曝光工艺讲得容易懂一些，我们直接提出曝光的几个关键问题：不同层次之间的对准问题，对光刻分辨率有决定因素的光源，数值孔径，对工艺稳定性其重要作用的焦深。
（一）对准问题：
首先是掩膜版的安装，虽然这一步不容易出错，但有的时候出现一定的误差，也会导致当前层次与前层的对位偏差，这个只要操作正确，机器不出故障，一般不会出问题；
第一次光刻，说明如下，这里偷个懒，反正都一样，就截个图看一下。
现在稍微先进一点的工艺，都是用的ASML光刻机，其最大的特点是先做一层0层，这一层没有主图形任何内容，知识在圆片左右两边的位置设置了两个对准标记，光刻后通过刻蚀，将该区域的硅刻下去一定深度（视光刻机对信号的分辨率决定），然后第二层对准的时候就与这两个zero mark去对准，来保证第二层对位的精度。
稍微落后一点的工艺会用到I-line或者G-line光刻机，这2种光刻机其中的一个制造商是日本的Nikon公司，其特点是没有像ASML这样的0层，但是，第一层只是像上面说的简单对准，但是第二层要与第一层进行对位，就必须有一个台阶信号，这个台阶信号一定是越垂直于圆片越好，通常都会先长一层很厚的氧化层，然后把第一层位置打开，腐蚀掉打开位置的氧化层，并注入一层N型或者P型的离子，然后给圆片一个热过程，同时生长另一厚度的氧化层，氧化层在生长的过程中会消耗衬底的硅，掺杂了离子的区域生长的速度更快，而被厚氧化层挡住的区域由于氧气扩散到硅与二氧化硅界面的速度非常慢，厚氧化层的位置实际增加的氧化层有限，即硅向下反应的尺寸很小，而掺杂区域的硅则深入很多，完成这一过程之后，将表面的氧化层全部去除，掺杂区域与非掺杂区域就出现了一个台阶，根据要求，控制台阶深度满足光刻对准精度即可。
对比可知，ASML光刻机因为是用的0层，直接刻蚀到硅衬底的，台阶角度更垂直，而Nikon光刻机通过氧化层台阶差做对准标记，显然对准精度略差，毕竟氧化层台阶的垂直程度差一些，另外，光刻机内部构造也不同，ASML要比Nikon先进一些，现在0.35um以下的工艺基本上被ASML所占领了绝对市场，甚至EUV一台就要1亿欧元，顶上小一点的FAB的整体造价了，可见光刻机的重要性和科技的绝对性。
回到正题，一般套标记图形有如下图，黑色图形对白色框，测量黑色实体4边距离白色框的4边距离，就可以知道是否对准；
而对位异常时有时候容易看出来，如下图集中严重的对准异常情况，当对准位置轻微偏出时，则需要测量对准尺寸，一般FAB厂会设置类似游标卡尺一样的游标来读取套刻偏差。
（二）认识光源： 光源对最小分辨率及产出能力有决定性作用 ，因此一定要对光源有本质的认识。
两种常用紫外光源：汞灯和准分子激光
下图是高强度汞灯发射光谱，我们选择不同波长作为光刻机的光源，对应的光刻机分别称之为G-line，H-line，I-line，DUV，波长越长，工艺能力越差，做出来的最小尺寸越大，工艺越落后，所以，6寸常用G-line和I-line，8寸和12寸FAB则主要用DUV和准分子激光，对比准分子激光和其他G-line，I-line光源，可以发现248nm的DUV的光源强度非常低，这对于生产效率会是大大的降低，因为强度不够，就只能增加曝光时间，从而降低了单位时间的产出，因此，进入纳米时代，光源基本用的都是248nm的KrF准分子激光，或者193nm的ArF激光。
（三）数值孔径与分辨率：光通过狭缝会发生衍射，透镜能够俘获一些衍射光，透镜收集衍射光的能力叫做透镜的数值孔径（NA）。
可见，当透镜的直径增大，透镜对衍射光的俘获能力增强，而光刻机的分辨率计算公式如下：
R=kλ/NA
K表示特殊应用因子范围是0.6-0.8
λ是光源波长
NA是曝光系统的数值孔径
因此，增大数值孔径可以减小光刻机最小分辨的尺寸，是有利方向，但是NA是机器的参数，会受到空间的限制，一般做到0.6也就差不多了，带入K=0.6，λ=193nm，NA=0.6,可以算出R=193nm，即最小尺寸是193nm，远大于我们常见的几十纳米工艺的水平，因为在此基础上，又发展出了各种增强分辨率的技术，如，相移掩膜版（PSM），光学临近修正（OPC），甚至现在的浸润光刻，以及在32nm以下工艺用spacer作为hard mask的新方法，还有对关键层进行2次光刻的方法等等，都使得光刻的分辨率在193nm准分子激光光源的基础上做到了32nm以下的分辨率，这些新工艺方法，以后有机会再做讨论。
（四）焦深（DOF）：焦点周围的一个范围，在这个范围内，图像连续保持清晰，示意图如下，计算公式也列在了里面，可见，波长越短，焦深越小，对于光刻胶越厚的工艺越难做，这个就是我们常说的Focus，调整foucs位置，会对光刻胶的形貌产生影响，如果焦深不足，调整的foucs过大的时候很可能会造成图形畸变，从而导致套刻精度降低，甚至因为图形异常而失效。
以上是光刻的基本概念，需要有一个初步的概念，然后才能更深入的理解光刻中常见问题及处理异常问题的手段 ，下一讲应该会讲一些光刻矩阵方法即光刻胶的swing curve，或者穿插讲一次半导体物理的理论知识，从硅开始，到PN结，写哪一个要看明天的时间安排，时间比较紧张就先讲简单的，这样准备的资料会少一些，谢谢大家的支持，欢迎订阅“半导体内功修炼”，有没有感觉已经有点上道了？那就继续follow me吧~~