概述

紫外線光刻機(jī)（UV Lithography System）是一種利用紫外光將圖案轉(zhuǎn)印到光刻膠上的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、微流控芯片等領(lǐng)域。

工作原理

紫外線光刻機(jī)的工作流程可大致分為光掩膜對準(zhǔn)、光刻膠涂覆、預(yù)烘、曝光、顯影、后烘、刻蝕與去膠等步驟。其核心在于將預(yù)先設(shè)計好的掩膜（Mask 或 Photomask）圖案，在準(zhǔn)直的紫外光照射下，經(jīng)投影或接觸貼合方式，精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)印到基片上的光刻膠層中。

主要組成

光源系統(tǒng)：常用的紫外光源有汞燈（Hg 式）和氨燈（Hg–Xe 混合燈），典型波長為 i-line（365?nm）、h-line（405?nm），以及更短波長的深紫外（DUV，248?nm）和極紫外（EUV，13.5?nm）。波長越短，分辨率越高。

掩膜對準(zhǔn)系統(tǒng)：包括高精度的光學(xué)對準(zhǔn)儀和機(jī)械平臺，可實現(xiàn)納米級對位精度，確保多層圖案之間的準(zhǔn)確疊合。

投影或接觸曝光系統(tǒng)：主流設(shè)備多采用投影曝光（Step-and-Repeat），通過高倍率顯微鏡鏡頭（如 4×、5×、10× 鏡頭）將掩膜圖案縮小投影到晶圓上。接觸或鄰近曝光由于接觸膜版與光刻膠面，分辨率受限且風(fēng)險更高。

機(jī)械運(yùn)動與聚焦系統(tǒng)：高精度 XY 臺和 Z 軸聚焦系統(tǒng)，配合主動反饋控制，實現(xiàn)曝光前對焦與掃描定位，保證每個曝光窗口的圖像清晰。

關(guān)鍵工藝參數(shù)

分辨率（Resolution）：近似由 0.61?λ/NA 給出，其中 λ 為曝光波長，NA 為投影鏡頭數(shù)值孔徑?？s短 λ 或增大 NA 可提升最小可分辨線寬。

對準(zhǔn)精度（Overlay Accuracy）：多層圖案疊加時的定位誤差，先進(jìn)設(shè)備可達(dá) <?10?nm 級。

曝光均勻性（CD Uniformity）：全晶圓或一掃描行內(nèi)線寬一致性的度量，通常控制在 ±2% 以內(nèi)。

深度焦差（Depth of Focus, DOF）：與 λ/(NA2) 成反比，DOF 越大，對工藝容差越友好，但與分辨率存在折衷。

工藝流程

涂膠（Spin Coating）：將液態(tài)光刻膠均勻涂覆在晶圓上，通過旋轉(zhuǎn)使其厚度可控；

預(yù)烘（Soft Bake）：在 90–100?°C 下去除膠液中溶劑，增強(qiáng)光刻膠與基片的附著；

曝光（Exposure）：根據(jù)所需圖形，選擇合適的光劑量與聚焦深度，將紫外線照射至光刻膠；

顯影（Development）：將曝光后光刻膠浸入或噴淋開發(fā)液，溶解、去除受光或未受光區(qū)域；

后烘（Post-Exposure Bake, PEB）：對殘留光刻膠進(jìn)行交聯(lián)或穩(wěn)定，減少顯影缺陷；

刻蝕與去膠（Etch & Strip）：暴露基片表面后進(jìn)行干法或濕法刻蝕，再剝離光刻膠，完成圖案轉(zhuǎn)移。

典型應(yīng)用

半導(dǎo)體制造：晶圓上的晶體管、互連線等電路圖形刻蝕；

MEMS 設(shè)備：制造加速度計、陀螺儀等微機(jī)電結(jié)構(gòu)；

微流控芯片：刻蝕微通道和反應(yīng)腔，用于生物檢測與化學(xué)分析；

光學(xué)元件：制備微透鏡陣列、衍射光柵等微納光學(xué)結(jié)構(gòu)。

優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

優(yōu)勢

高分辨率：配合深紫外和高 NA 投影鏡頭，可實現(xiàn)亞百納米級圖形；

高通量：投影曝光方式適合大規(guī)模晶圓批量處理；

成熟穩(wěn)定：光刻工藝是 IC 制造的支柱，設(shè)備與材料供應(yīng)體系完善。

挑戰(zhàn)

成本高昂：尤其是更短波長（DUV、EUV）光源和高 NA 鏡頭價格昂貴；

工藝復(fù)雜：多層對準(zhǔn)、光刻膠優(yōu)化與缺陷控制需要精密調(diào)校；

物理極限：隨著波長縮短和分辨率提升，對鏡頭制造、光源功率，以及光刻膠性能提出更苛刻要求。

發(fā)展趨勢

極紫外光刻（EUV）：13.5?nm 波長光源已經(jīng)在領(lǐng)先廠商中裝備，用以制造 5?nm 及更小工藝節(jié)點(diǎn)；

多重圖案化（Multi?Patterning）：利用雙重或四重刻蝕工藝突破曝光分辨率限制；

光刻膠與輔助成像技術(shù)：開發(fā)更高靈敏度的化學(xué)放大膠、相位光罩、輔助光學(xué)成像技術(shù)（OPC、SMO）等；

智能化與自動化：結(jié)合機(jī)器視覺與大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)在線缺陷檢測與工藝自適應(yīng)優(yōu)化。

總結(jié)

紫外線光刻機(jī)是現(xiàn)代微納加工領(lǐng)域不可或缺的核心裝備，它將光學(xué)、機(jī)械、材料與控制技術(shù)深度融合。隨著光源技術(shù)、光學(xué)設(shè)計與計算算法的持續(xù)發(fā)展，UV 光刻將不斷向更高分辨率、更高產(chǎn)能和更低成本的方向演進(jìn)，為半導(dǎo)體及微系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步提供強(qiáng)大支撐。