光刻機

在諸如硅片的基底表面覆蓋一層具有高度光敏感性的光刻膠，再用特定光（一般是紫外光、深紫外光、極紫外光）透過包含目標圖案信息的掩模版照射在基底表面，被光線照射到的光刻膠會發生反應，因此，在顯影后被照到的區域會產生與未被照到的區域不同的效果（具體情況依賴於光刻膠的性質）。

光刻膠是聚合物和一些化合物的混合物，在化合物中最重要的是一種光致酸產生劑（Photo Acid Generator, PAG）。當光子打到PAG上，會產生一種酸，這種酸會與聚合物發生反應，將聚合物分解，這樣聚合物就會被顯影液(developer)溶解 ^[2]  。

光刻膠通常分為兩種，正膠和負膠。

正性光刻膠（正膠，positive photoresist）：曝光部分溶於顯影液，而未曝光部分不溶於顯影液，顯影后襯底上剩餘的光刻膠圖形與掩膜板上的目標圖形相同。

負性光刻膠（負膠，negative photoresist）：曝光部分不溶於顯影液，而未曝光部分溶於顯影液，顯影后襯底上剩餘的光刻膠圖形與掩膜板上的目標圖形為互補關係。

因此，對於正膠來説，光刻完成後對沒有光刻膠保護的基底部分進行刻蝕，最後洗去剩餘光刻膠，就實現了半導體器件在基底表面的一步構建過程。

根據用途的不同，可以分為用於生產芯片、用於封裝和用於LED製造等。

根據光源的不同，可分為紫外光源（UV）、深紫外光源(DUV)、極紫外光源（EUV），光源的波長影響光刻機的工藝。

極紫外光刻機，選取了新的方案來進一步提供更短波長的光源。目前主要採用的辦法是將準分子激光照射在錫滴液發生器上，激發出13.5nm的光子，作為光刻機光源。ASML（阿斯麥） 目前其是全世界唯一一家能夠設計和製造EUV光刻機設備的廠商。

根據操作方式的不同。可分為接觸式光刻、直寫式光刻、投影式光刻。

接觸式光刻（Contact Printing）

掩膜板直接與光刻膠層接觸。曝光出來的圖形與掩膜板上的圖形分辨率相當，設備簡單。根據施加力量的方式，接觸式又分為：軟接觸，硬接觸和真空接觸。

1a.軟接觸就是把基片通過托盤吸附住（類似於勻膠機的基片放置方式），掩膜蓋在基片上面；

1b.硬接觸是將基片通過一個氣壓（氮氣），往上頂，使之與掩膜板接觸；

1c.真空接觸是在掩膜板和基片中間抽氣，使它們更加好地貼合

特點：光刻膠污染掩膜板；掩膜板容易損壞，使用壽命很短（只能使用5～25次）；容易出現累積缺陷。

接近式光刻（Proximity Printing）

掩膜板與光刻膠基底層保留一個微小的縫隙（Gap），大約為2.5～25 μm。可以有效避免與光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷，使掩膜和光刻膠基底能耐久使用；掩膜壽命長（可提高10倍以上），圖形缺陷少。接近式在現代光刻工藝中應用最為廣泛。

投影式光刻（Projection Printing）

類似於膠片攝影，通過按下“快門”，光線通過鏡頭投射到膠捲上並曝光。之後通過“洗照片”，即將膠捲在顯影液中浸泡，得到圖像。投影式光刻因其高效率、無損傷的優點，是集成電路主流光刻技術。

3a.掃描投影光刻（Scanning Project Printing）

70年代末～80年代初開始研究。這種光刻機中掩膜版與圖案的大小是1:1，即掩膜版上的尺寸與光刻膠上的圖案尺寸相同。之所以稱之為掃描，是因為光是透過一條細長的狹縫射在基底上，一般是一次曝光數行，基底需要挪動位置，使光能將所有的區域都曝光。

特點:工藝節點為180 nm-130 nm，掩膜板1:1，全尺寸曝光。

3b.步進重複投影光刻（Stepping-repeating Project Printing或稱作Stepper）

80年代末～90年代開始研究，使用透鏡系統將掩模上的圖案在小面積上逐個投影到基底上。每次曝光一個小區域後，基底會移動到下一個位置，直到整個基片都被曝光。一個曝光區域就是一個“shot”。因為它是通過透鏡系統投影，一般使用365nm紫外光時使用的是5倍版，即掩膜版上圖形尺寸是實際光刻膠上的尺寸的5倍，所以在掩膜板上可以設計更復雜的圖形，但是增加了稜鏡系統的製作難度。

3c.掃描步進投影光刻（Scanning-Stepping Project Printing或稱作Scanner）

90年代末至今，在高端的半導體制造中一般會用到此種機型，用於≤0.18 μm工藝。在曝光過程中，掩膜版在一個方向上移動，同時晶圓在與其垂直的方向上同步移動 ^[4]  。

特點：增大了每次曝光的視場；提供硅片表面不平整的補償；提高整個硅片的尺寸均勻性。但是，同時因為需要反向運動，增加了機械系統的精度要求，Scanner通常比其他曝光機具有更高的生產效率，設計和製造都非常複雜，Scanner的購買和維護成本都很高。

主要用於中小規模集成電路、半導體元器件、光電子器件、聲表面波器件、薄膜電路、電力電子器件的研製和生產。

雙面光刻機包括運動控制系統、圖像處理系統、系統軟件、數據I/O處理控制單元 ^[5]  。

針對各大專院校、企業及科研單位，對光刻機使用特性研發的一種高精度光刻機，中小規模集成電路、半導體元器件、光電子器件、聲表面波器件的研製和生產。

高精度對準工作台、雙目分離視場CCD顯微顯示系統、曝光頭、氣動系統、真空管路系統、直聯式無油真空泵、防震工作台和附件箱等組成。

解決非圓形基片、碎片和底面不平的基片造成的版片分離不開所引起的版片無法對準的問題。

最小特徵尺寸 (Critical Dimension, CD):

最小特徵尺寸，也就是半週期(Half-Pitch)的尺寸，是衡量光刻機性能最重要的參數之一。

其中，是一個常數，在不同的光刻方案中不太一致，λ就是輸入光源的波長， NA是光刻機光學系統的數值孔徑。對於常數，目前荷蘭ASML公司的DUV光刻機最高是做到了0.25附近，而EUV大概還是在0.35附近。輸入光源的波長越小，實際可以光刻的工藝也就越小。對於數值孔徑NA來説，對於非浸潤式DUV方案這個數值的上限一般是1.0，浸潤式DUV方案則是1.35附近。相比於非浸潤式，浸潤式光刻機在光刻時額外使用了液體來進行折射，一般所使用的都是純水，折射率約為1.33，這也是浸潤式的NA要大一些的原因。

套刻精度（Overlay accuracy）: 掩膜板mask）和基底（wafer）圖形的對準精度。

基本含義是指前後兩道光刻工序之間彼此圖形的對準精度，如果對準的偏差過大，就會直接影響產品的良率。

曝光寬容度（Exposure Latitude）:曝光寬容度也被稱為曝光裕度，是工藝窗口的重要參數之一，光學曝光系統可以形成符合設計版圖要求的曝光能量範圍，通常使用曝光結果檢測的CD值的變化量在±10%範圍內的曝光能量選擇範圍來定義。如果光刻膠在偏離最佳的曝光劑量的情況下，曝光圖形的線寬變化比較小，説明該光刻膠有較大的曝光寬容度。通常曝光寬容度越大，顯影寬容度也越大。

曝光容忍度和投影圖像對比度緊密聯繫。投影圖像的特徵尺寸若具有較差的圖像對比度，將會對劑量變化過於敏感 ^[2]  。

2023年12月，光刻機入選2023年十大科技熱詞。 ^[6]