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光刻机
光刻机（Mask Aligner) 又名：掩模对準曝光机，曝光系统，光刻系统等。常用的光刻机是掩膜对準光刻，所以叫 Mask Alignment System.
一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘乾、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对準曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。
Photolithography（光刻） 意思是用光来製作一个图形（工艺）；
在硅片表面匀胶，然后将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程将器件或电路结构临时“複製”到硅片上的过程。
基本介绍
- 中文名：光刻机
- 外文名：Mask Aligner
- 别名：掩模对準曝光机
- 光源波长：350 nm -450 nm
概要
生产积体电路的简要步骤：
- 利用模版去除晶圆表面的保护膜。
- 将晶圆浸泡在腐化剂中，失去保护膜的部分被腐蚀掉后形成电路。
- 用纯水洗净残留在晶圆表面的杂质。
其中曝光机就是利用紫外线通过模版去除晶圆表面的保护膜的设备。
一片晶圆可以製作数十个积体电路，根据模版曝光机分为两种：
- 模版和晶圆大小一样，模版不动。
- 模版和积体电路大小一样，模版随曝光机聚焦部分移动。
其中模版随曝光机移动的方式，模版相对曝光机中心位置不变，始终利用聚焦镜头中心部分能得到更高的精度。成为的主流。
主要厂商
曝光机是生产大规模积体电路的核心设备，製造和维护需要高度的光学和电子工业基础，世界上只有少数厂家掌握。因此曝光机价格昂贵，通常在 3 千万至 5 亿美元。
- ASML
- 尼康
- 佳能
- 欧泰克
- 上海微电子装备
- SUSS
- ABM, Inc.
品牌
光刻机的品牌众多，根据採用不同技术路线的可以归纳成如下几类：
高端的投影式光刻机可分为步进投影和扫描投影光刻机两种，解析度通常七纳米至几微米之间，高端光刻机号称世界上最精密的仪器，世界上已有1.2亿美金一台的光刻机。高端光刻机堪称现代光学工业之花，其製造难度之大，全世界只有少数几家公司能够製造。国外品牌主要以荷兰ASML（镜头来自德国），日本Nikon（intel曾经购买过Nikon的高端光刻机）和日本Canon三大品牌为主。
位于我国上海的SMEE已研製出具有自主智慧财产权的投影式中端光刻机，形成产品系列初步实现海内外销售。正在进行其他各系列产品的研发製作工作。
生产线和研发用的低端光刻机为接近、接触式光刻机，解析度通常在数微米以上。主要有德国SUSS、美国MYCRO NXQ4006、以及中国品牌。
分类
光刻机一般根据操作的简便性分为三种，手动、半自动、全自动
A 手动：指的是对準的调节方式，是通过手调旋钮改变它的X轴，Y轴和thita角度来完成对準，对準精度可想而知不高了；
B 半自动：指的是对準可以通过电动轴根据CCD的进行定位调谐；
C 自动： 指的是 从基板的上载下载，曝光时长和循环都是通过程式控制，自动光刻机主要是满足工厂对于处理量的需要。
紫外光源
曝光系统最核心的部件之一是紫外光源。
常见光源分为:
可见光：g线：436nm
紫外光（UV），i线：365nm
深紫外光（DUV）,KrF 準分子雷射：248 nm, ArF 準分子雷射：193 nm
极紫外光（EUV），10 ~ 15 nm
对光源系统的要求
a.有适当的波长。波长越短，可曝光的特徵尺寸就越小；[波长越短，就表示光刻的刀锋越锋利，刻蚀对于精度控制要求越高。]
b.有足够的能量。能量越大，曝光时间就越短；
c.曝光能量必须均匀地分布在曝光区。[一般採用光的均匀度 或者叫 不均匀度 光的平行度等概念来衡量光是否均匀分布]
常用的紫外光光源是高压弧光灯（高压汞灯），高压汞灯有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的g 线（436 nm）或i 线（365 nm）。
对于波长更短的深紫外光光源，可以使用準分子雷射。例如KrF 準分子雷射（248 nm）、ArF 準分子雷射（193 nm）和F2準分子雷射（157 nm）等。
曝光系统的功能主要有：平滑衍射效应、实现均匀照明、滤光和冷光处理、实现强光照明和光强调节等。
对準系统
製造高精度的对準系统需要具有近乎完美的精密机械工艺，这也是国产光刻机望尘莫及的技术难点之一，许多美国德国品牌光刻机具有特殊专利的机械工艺设计。例如Mycro N&Q光刻机採用的全气动轴承设计专利技术，有效避免轴承机械摩擦所带来的工艺误差。
对準系统另外一个技术难题就是对準显微镜。为了增强显微镜的视场，许多高端的光刻机，採用了LED照明。
对準系统共有两套，具备调焦功能。主要就是由双目双视场对準显微镜主体、目镜和物镜各1对（光刻机通常会提供不同放大倍率的目镜和物镜供用户组合使用）。
CCD对準系统作用是将掩模和样片的对準标记放大并成像于监视器上。
工件台顾名思义就是放工件的平台，光刻工艺最主要的工件就是掩模和基片。
工件台为光刻机的一个关键，由掩模样片整体运动台（XY）、掩模样片相对运动台（XY）、转动台、样片调平机构、样片调焦机构、承片台、掩模夹、抽拉掩模台组成。
其中，样片调平机构包括球座和半球。调平过程中首先对球座和半球通上压力空气，再通过调焦手轮，使球座、半球、样片向上运动，使样片与掩模相靠而找平样片，然后对二位三通电磁阀将球座和半球切换为真空进行锁紧而保持调平状态。
样片调焦机构由调焦手轮、槓桿机构和上升直线导轨等组成，调平上升过程初步调焦，调平完成锁紧球气浮后，样片和掩模之间会产生一定的间隙，因此必须进行微调焦。另一方面，调平完成进行对準，必须分离一定的对準间隙，也需要进行微调焦。
抽拉掩模台主要用于快速上下片，由燕尾导轨、定位挡块和锁紧手轮组成。
承片台和掩模夹是根据不同的样片和掩模尺寸而进行设计的。
性能指标
光刻机的主要性能指标有：支持基片的尺寸範围，解析度、对準精度、曝光方式、光源波长、光强均匀性、生产效率等。
解析度是对光刻工艺加工可以达到的最细线条精度的一种描述方式。光刻的解析度受受光源衍射的限制,所以与光源、光刻系统、光刻胶和工艺等各方面的限制。
对準精度是在多层曝光时层间图案的定位精度。
曝光方式分为接触接近式、投影式和直写式。
曝光光源波长分为紫外、深紫外和极紫外区域，光源有汞灯，準分子雷射器等。
光刻机种类
a.接触式曝光（Contact Printing）：掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形解析度相当，设备简单。接触式，根据施加力量的方式不同又分为：软接触，硬接触和真空接触。
1.软接触 就是把基片通过托盘吸附住（类似于匀胶机的基片放置方式），掩膜盖在基片上面；
2.硬接触 是将基片通过一个气压（氮气），往上顶，使之与掩膜接触；
3.真空接触 是在掩膜和基片中间抽气，使之更加好的贴合（想一想把被子抽真空放置的方式）
软<硬<真空 接触的越紧密，解析度越高，当然接触的越紧密，掩膜和材料的损伤就越大。
缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，容易损坏,寿命很低（只能使用5～25次）；容易累积缺陷；上个世纪七十年代的工业水準，已经逐渐被接近式曝光方式所淘汰了，国产光刻机均为接触式曝光，国产光刻机的开发机构无法提供工艺要求更高的非接触式曝光的产品化。
b.接近式曝光（Proximity Printing）:掩膜板与光刻胶基底层保留一个微小的缝隙（Gap），Gap大约为0～200μm。可以有效避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤，使掩膜和光刻胶基底能耐久使用；掩模寿命长（可提高10 倍以上），图形缺陷少。接近式在现代光刻工艺中套用最为广泛。
c.投影式曝光（Projection Printing）:在掩膜板与光刻胶之间使用光学系统聚集光实现曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍製作。优点：提高了解析度；掩膜板的製作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。
投影式曝光分类：
扫描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末～80年代初，〉1μm工艺；掩膜板1：1，全尺寸；
步进重複投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或称作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。掩膜板缩小比例（4：1），曝光区域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能覆盖的区域）。增加了稜镜系统的製作难度。
扫描步进投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年代末～至今，用于≤0.18μm工艺。採用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光区域（Exposure Field）26×33mm。优点：增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。但是，同时因为需要反向运动，增加了机械系统的精度要求。
d. 高精度双面：主要用于中小规模积体电路、半导体元器件、光电子器件、声表面波器件、薄膜电路、电力电子器件的研製和生产。
高精度特製的翻版机构、双视场CCD显微显示系统、多点光源曝光头、真空管路系统、气路系统、直联式无油真空泵、防震工作檯等组成。
适用于φ100mm以下，厚度5mm以下的各种基片的对準曝光。
e.高精度单面：针对各大专院校、企业及科研单位，对光刻机使用特性研发的一种高精度光刻机,中小规模积体电路、半导体元器件、光电子器件、声表面波器件的研製和生产。
高精度对準工作檯、双目分离视场CCD显微显示系统、曝光头、气动系统、真空管路系统、直联式无油真空泵、防震工作檯和附属档案箱等组成。
解决非圆形基片、碎片和底面不平的基片造成的版片分离不开所引起的版片无法对準的问题。
超分辨光刻机
2018年11月29日，国家重大科研装备研製项目“超分辨光刻装备研製”通过验收。该光刻机由中国科学院光电技术研究所研製，光刻分辨力达到22纳米，结合双重曝光技术后，未来还可用于製造10纳米级别的晶片。