光刻机

光刻机（标籤mask  校准器）又称掩模对准曝光机，是芯片制造过程中光刻工艺的核心设备。芯片的制造过程极其复杂，而光刻是制造过程中最关键的一步光刻技术决定了芯片的关键尺寸，在芯片的整个制造过程中，光刻技术约占整体制造成本的35%掩模对准器 的主要目的是生产集成电路，并将设计好的集成电路模板刻在硅片上，从而生产出足够小的集成电路、 精确、高效集成电路。

光刻机根据光源可分为紫外光刻机、深紫外掩模曝光机和极紫外光刻机。根据曝光方式，可分为接触式光刻机、邻近掩模对准器和直接写入掩模对准器。掩模对准器 的关键性能指标包括分辨率、对准精度、曝光方式、光源波长和生产效率等。掩模对准器的核心部件包括光源、镜头和工作台，每个部分都非常复杂，需要精心设计才能达到精度、效率和稳定性的最佳表现。掩模对准器广泛用于半导体芯片制造、微机电系统（MEMS）印刷电路板（PCB）以及显示屏制造等领域。

自1947年贝尔实验室发明第一个点接触晶体管以来，光刻技术一直在发展随着时间的推移和技术的突破，逐渐衍生出不同的发展模式。诞生于1959年的第一台晶体管计算机及其光刻工艺开启了接近式掩模对准器的发展的成就包括世界与和平美国第一个用于单结构硅片的掩模对准器和CMOS IC制造工艺。20世纪60年代，飞兆还生产了第一台IC计算机IBM360，并建立了第一条2英寸集成电路生产线。随后，美国GCA公司的光学图形发生器和分布式重复精缩机开启了步进式掩模光刻机的发展。20世纪70年代，GCA推出了第一台分布式重复投影曝光机，大大缩小了集成电路图形的线宽。20世纪80年代，SVGL 步进扫描投影曝光机进一步减小了线宽。随着时间的推移，光刻技术不断突破分辨率极限并采用不同的发展方向，其中包括极紫外光刻技术、电子束光刻技术、x射线光刻技术和纳米压印技术等。这些新技术的出现，使得光刻技术在不断努力突破分辨率极限的同时，也在探索新的研究方向，为集成电路的发展提供了更多的可能性。

全球主要的口罩对准器公司是荷兰的阿斯麦公司、日本尼康和佳能，其中阿斯麦的市场份额超过70%，是唯一能够制造高端极紫外光刻机的企业。在2022年，EUV光刻机占阿斯麦光刻机产品销售额的近50%日本佳能公司主要生产I-直线光刻机尼康公司主要生产除EUV以外的其他光刻机。在中国公司中，上海微电子的后封装mask aligner在中国占有80的市场份额%全球市场份额约为40%

一台完整的光刻机包含超过10万个零件，这些零件根据其功能由几个关键部件组成，并以部件为最小单元研究光刻机产业链。根据光刻工艺，光刻机可以分为几个软硬件协同工作的系统。光刻机中还有几个关键耗材，在配套设施中进行分类。

结构组件

掩模对准器结构部件包括光学部件、工作台、曝光组件、封闭框架、其他组件等。光学元件是指激光光源和激光的能量调节、用于形状控制的一系列组件：激光源，即激光发生器，DUV使用波长为193nm的深紫外激光源，EUV使用193nm.波长为5纳米的极紫外激光光源；光学透镜是指几个物镜和其他光学透镜；光束形状设置，将光束设置为圆形、环形和其他不同的形状，从而获得不同的光学特性；光束校正器校正光束的入射方向以获得平行光。工作台包括掩模对准器中的三个主要工作平台：测量台、曝光台又称双台，一般的光刻机都是在一个台上先测量再曝光，双台可以同时测量和曝光，提高工作效率；掩模台控制掩模板的移动，控制精度为纳米。暴露组件是指与暴露过程相关的关键组件：掩模板，即掩模板，是承载IC设计电路图的玻璃板激光通过掩模将设计图案投射到光刻胶上，掩模的性能直接决定了光刻工艺的质量；当不需要曝光时，用于防止光束照射硅晶片组件的快门；能量检测器检测要照射在掩模上的激光，并将其反馈给能量控制器进行调整以满足曝光要求。封闭式车架和减震器：将双工作台与外界环境隔离，保持工作台水平，减少外界振动干扰，保持稳定的温度和压力。

系统

掩模对准器系统可以分为10个部件。掩模对准器 的硬件部件需要组合在一起才能按顺序完成工作，因此需要整个软件系统和控制系统来指挥光刻机的所有部件，这相当于mask aligner 的大脑。

配套设施

掩模对准器支持设施包括：光刻胶、光刻气体、浸没液体、涂胶显影、线材等。光刻胶指的是光刻胶，在曝光过程中用来获得所需的电路图像；光刻气体是指光刻机产生激光的光源；浸没液体是指用于浸没式掩模对准器如DUV中的液体使用折射率大于1的水作为光刻的介质将提高最小分辨率，例如使用折射率为1的水.44去离子水等；涂胶显影是指一种专用的涂胶显影机器，用于进行曝光后的显影过程；导线是指光刻机中需要的各种电路材料。

光刻（lithography）该设备为投影曝光系统，由紫外光源组成、光学镜片、组装对准系统和其他部件。在半导体制造过程中，光刻设备将通过印有图案的光掩模和光学透镜投射光束，在具有光敏涂层的硅片上曝光电路图，如图1所示。通过蚀刻暴露或未暴露的部分形成沟槽，然后进行沉积、蚀刻、掺杂，用不同的材料构建电路。这个过程一次又一次地重复，数十亿个MOSFET或其他晶体管被构建在硅片上，形成通常所说的集成电路。

掩模对准器使用纳米级激光对硅片进行光刻，激光通过一系列光源、经过形状控制的手段后，投影出带有电路图的掩膜，将电路图按一定比例缩小后映射到硅片上。

光源分类

紫外线光刻机 ：紫外光刻机是一种利用紫外光曝光的光刻机，主要用于制造微电子器件和微纳结构。其光源通常为汞灯或氙气光源，波长通常为365 nm或248 nm，而使用的光刻胶通常为正胶，分辨率可达亚微米级。紫外光刻机的曝光方式通常是投影光刻，即通过掩模将图形投影到光刻胶表面。由于其高分辨率、高精度、高效率等优点，紫外光刻机被广泛应用于半导体、光电子、生物医学等领域。

深紫外光刻机：深紫外（Deep UV）光刻是一种先进的光刻技术，广泛用于制备10 ~ 250纳米尺度的几何特征。为了使用DUV技术，需要更短波长的紫外光。为了产生这种紫外光，应用了准分子激光器，其可以产生高度均匀的相干单色光束。其中，氟化氪（KrF）激光可以产生248纳米的波长，而氟化氩（ArF）准分子激光器可以产生波长为193nm的高强度紫外光，在光刻领域得到广泛认可。在实际应用中，193纳米的波长被视为先进光刻领域的标准能量载体。而在DUV范围内，使用透射光掩模。

极紫外光刻机：极紫外光刻机（EUV limit   ultraviolet spectrometer）是一种先进的光刻技术，使用的波长约为13.5纳米极紫外光照射。与传统光刻技术相比，EUV具有更短的波长，这使得分辨率更高且特征尺寸更小。因此广泛应用于半导体制造和先进的微纳加工。EUV光刻技术的光学系统和光源技术非常复杂，需要精密的设备和控制系统来实现。作为半导体制造领域的前沿技术之一，EUV已成功用于生产高性能微处理器和存储设备。

曝光分类

接触式光刻机：接触掩模对准器使用接触曝光（contact printing）方法掩模板直接与光刻胶层接触。根据施力方式，接触式分为软接触、硬接触和真空接触。软接触是基板被托盘吸附，掩模覆盖在基板上；硬接触通过气压向上推动基板以接触掩模；真空接触是在掩模和基底之间抽吸空气，使其更好地配合。然而，接触式掩模对准器的缺点是光刻胶容易污染掩模板，并且其寿命较短，因此只能使用有限的次数。由于这些限制，接触式掩模对准器在20世纪70年代逐渐被工业水平的接近式曝光所取代。

光刻机

接近式光刻机：接近式曝光（Proximity Printing打印打印）这是一种复制光刻方法，其中在掩模和光致抗蚀剂基底之间保留约0 ~ 200μ m的微小间隙。其工作原理是通过掩模与光刻胶基层之间的微小间隙，将掩模上的微纳图案结构转移到待加工的图案表面。类似于“手影”游戏中，利用阻挡光线传播的图形来形成明暗交替的图案并记录所需的图形。邻近掩模对准器具有简单的结构、加工效率高、成本低，芯片面积曝光大，使用方便。然而，它的分辨率较低、曝光图形质量差、工艺一致性差等缺点，仅为1：1，复制的图形不能进一步缩小。尽管如此，接近式光刻仍然是器件制造中广泛使用的光刻方法，特别是对于低分辨率要求的光刻、芯片面积大、厚胶非标基板等场景，集成电路除外（IC）而除了平板显示器之外的各种设备基本都采用这种方式。接近式光刻可分为手动光刻、半自动和全自动操作模式。

直写式光刻机：直写式掩模光刻机是一种基于光刻技术的微电子制造设备，利用光与光刻胶相互作用的原理。它的工作类似于书写字体的过程。在操作中，该装置通过各种方式转换光束（或电子束、离子束）专注于一个微小的点，如笔尖。然后，通过移动笔尖或基板，可以实现它们之间的相对运动，从而可以加工任何图案。直写式光刻机具有高精度加工的特点，最细线的加工精度可达纳米级。然而，直写式掩模光刻机采用点加工，效率低且难以实现大面积直写，不适合大尺寸结构的制造。因此，它主要用于制作掩模板。

半导体芯片制造

掩模对准器在半导体工业中起着至关重要的作用它是将精细图案精确转移到硅片表面的关键制造工具。在集成电路制造中，光刻机有助于定义电路的结构和元件，实现纳米尺度的图形制作，制造高密度集成电路和其他微纳器件。此外，mask aligner还实现了多层次制造，将不同层次的图案精确转移到芯片表面，实现复杂的电路结构，并在工艺控制中确保图案的准确性和一致性，从而实现高质量的芯片制造。

MEMS （微电子机械系统）

MEMS是一种微型传感器、致动器和微结构集成系统。光刻是制造MEMS微结构的关键工艺，可以将微米级甚至纳米级的图形精确地转移到半导体材料上，用于制造微电子器件。它可以实现微结构的制造，例如微机械传感器和致动器。它还支持多层制造，以实现复杂的MEMS结构，如微型加速度计、微型陀螺仪等。使用掩模对准器还可以确保制造过程的精度和一致性，从而实现高质量的MEMS制造。

印刷电路板 （PCB）

光刻技术在PCB制造中起着重要作用，用于精确定义导线、孔和其他精细结构来实现复杂的电路板设计。光刻机可以精确地将微米级甚至纳米级的图案转移到基板表面，并实现PCB上微电路和微结构的制造。这项技术用于高密度互连（HDI）在PCB制造中尤为重要，可以实现高分辨率的图形制作，可以应用于多层次制造，实现复杂的PCB结构。光刻机还起到工艺控制的作用，保证微米甚至纳米级别的图形精度和一致性，为高质量的PCB制造提供保障。

显示屏制造

掩模对准器在LCD上（LCD）和有机发光二极管（OLED）它在显示技术中起着重要作用，例如定义像素和电路，以及实现高分辨率和高质量的显示屏制造。通过将微米级甚至纳米级图案精确转移到衬底表面，掩模对准器可以帮助制造细线和像素结构，并实现复杂显示结构的制造，例如多级有机发光二极管显示器。同时，掩模对准器还在工艺控制中发挥作用，以确保图案的准确性和一致性，从而实现高质量的显示器制造。