光刻機(jī)投影是現(xiàn)代微納米制造工藝的核心環(huán)節(jié)，它利用高精度光學(xué)系統(tǒng)將掩膜（mask）上的圖案縮小并成像到基片（晶圓或其它襯底）上，從而完成微米甚至納米級(jí)圖形的轉(zhuǎn)移。

一、投影原理

光刻機(jī)投影系統(tǒng)的核心是將掩膜圖案通過(guò)透鏡組投影到光刻膠層上。投影方式主要有兩種：接觸/鄰近曝光和投影曝光（step-and-repeat 或 step-and-scan）。其中，接觸式或鄰近式將掩膜直接貼近或接觸基片，分辨率受限且易損傷掩膜；而投影式在掩膜與基片之間保持間隔，通過(guò)高倍率投影鏡頭將圖案按設(shè)定縮小比例（如4×、5×、10×）成像，大大提高了分辨率與良率。

二、主要組成

紫外光源：常見(jiàn)波長(zhǎng)包括i-line（365nm）、h-line（405nm）、深紫外DUV（248nm、193nm）以及極紫外EUV（13.5nm）。光源波長(zhǎng)越短，衍射極限越小，能刻畫(huà)更細(xì)的線寬；但短波長(zhǎng)光源技術(shù)難度和成本也更高。

掩膜對(duì)準(zhǔn)與臺(tái)架：掩膜臺(tái)集成納米級(jí) XY移動(dòng)與 θ旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，輔助高速攝像頭與圖像處理算法實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記檢測(cè)，保證每次曝光的平面位置誤差（overlay）低于5–10nm。

投影鏡頭：最關(guān)鍵的部件，通常由多片高純度石英或氟化鈣透鏡精密組裝而成。高端鏡頭數(shù)值孔徑（NA）可達(dá)0.85以上，結(jié)合高階像差校正，實(shí)現(xiàn)亞20nm線寬的成像。鏡頭對(duì)色差、球差和像散等要進(jìn)行專門(mén)校正，且需要在真空或氟化氣環(huán)境下使用，以避免短波長(zhǎng)光源在空氣中吸收。

基片臺(tái)與聚焦系統(tǒng)：基片臺(tái)常采用空氣懸浮或磁懸浮結(jié)構(gòu)，配合激光干涉儀對(duì)每次曝光位置進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋；聚焦系統(tǒng)采用共焦傳感或激光探針測(cè)距，確保曝光面與掩膜像面聚焦誤差（DOF）在幾個(gè)納米內(nèi)。

三、關(guān)鍵性能參數(shù)

分辨率（Resolution）：由衍射極限公式R ≈0.61λ/NA決定，λ為光源波長(zhǎng)，NA為投影鏡頭數(shù)值孔徑。

深度焦差（DOF）：與λ/(NA2)成反比，DOF越大，對(duì)焦容差越寬；但增大 NA 會(huì)顯著縮小 DOF，需要更精密的聚焦控制。

曝光均勻性（CD Uniformity）：衡量全晶圓或曝光場(chǎng)內(nèi)線寬（Critical Dimension）一致性，通常要求±1–2%。

對(duì)準(zhǔn)精度（Overlay Accuracy）：多層圖形疊加定位誤差，先進(jìn)系統(tǒng)可控制在±5nm以內(nèi)。

系統(tǒng)吞吐量（Throughput）：以晶圓片/小時(shí)（WPH）或分鐘/片（WPP）衡量，影響半導(dǎo)體工藝的產(chǎn)能。

四、技術(shù)難點(diǎn)

光學(xué)極限與掩膜制造：隨著線寬接近 1nm 級(jí)，傳統(tǒng)掩膜工藝（電子束刻記）面臨分辨率和折射效應(yīng)限制，急需新材料與新結(jié)構(gòu)。

鏡頭制造與對(duì)位控制：高 NA 鏡頭對(duì)像差和波前畸變的校正要求極高，制造誤差容限在幾個(gè)原子層級(jí)；同時(shí)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)需實(shí)時(shí)補(bǔ)償環(huán)境擾動(dòng)（震動(dòng)、溫漂）。

極紫外（EUV）系統(tǒng)：13.5nm 光源在真空環(huán)境中傳播，需反射式光學(xué)元件（多層膜鏡），其壽命、光學(xué)質(zhì)量與光源穩(wěn)定性成為制約因素。

多重圖案化工藝：為突破單次曝光分辨率，出現(xiàn)浸沒(méi)式光刻、多個(gè)掩膜疊加等多重圖案化流程，但成本與復(fù)雜度大幅增加。

五、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

極紫外光刻（EUV）量產(chǎn)化：隨著光源功率、光束品質(zhì)的提升和鏡面壽命的延長(zhǎng)，EUV 有望在3nm 或更先進(jìn)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)主流應(yīng)用。

自對(duì)準(zhǔn)圖案化（SAQP）：利用化學(xué)修飾與選擇性沉積技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖形自對(duì)準(zhǔn)，減少對(duì)超高精度對(duì)準(zhǔn)的依賴。

智能化與大數(shù)據(jù)：引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)曝光過(guò)程中的缺陷數(shù)據(jù)、對(duì)準(zhǔn)誤差和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與優(yōu)化，提升良率與穩(wěn)定性。

新型光刻技術(shù)融合：如極紫外投影與納米壓印（NIL）、電子束直寫(xiě)混合方案，結(jié)合各自優(yōu)勢(shì)以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

綜上所述，光刻機(jī)投影技術(shù)將光學(xué)成像與精密機(jī)械控制深度融合，通過(guò)不斷優(yōu)化投影鏡頭、對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)和光源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高分辨率、更高產(chǎn)能和更高良率。