光刻機(jī)（標(biāo)籤mask  校準(zhǔn)器）又稱掩模對準(zhǔn)曝光機(jī)，是芯片制造過程中光刻工藝的核心設(shè)備。芯片的制造過程極其復(fù)雜，而光刻是制造過程中最關(guān)鍵的一步光刻技術(shù)決定了芯片的關(guān)鍵尺寸，在芯片的整個制造過程中，光刻技術(shù)約占整體制造成本的35%掩模對準(zhǔn)器 的主要目的是生產(chǎn)集成電路，并將設(shè)計好的集成電路模板刻在硅片上，從而生產(chǎn)出足夠小的集成電路、 精確、高效集成電路。

光刻機(jī)根據(jù)光源可分為紫外光刻機(jī)、深紫外掩模曝光機(jī)和極紫外光刻機(jī)。根據(jù)曝光方式，可分為接觸式光刻機(jī)、鄰近掩模對準(zhǔn)器和直接寫入掩模對準(zhǔn)器。掩模對準(zhǔn)器 的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括分辨率、對準(zhǔn)精度、曝光方式、光源波長和生產(chǎn)效率等。掩模對準(zhǔn)器的核心部件包括光源、鏡頭和工作臺，每個部分都非常復(fù)雜，需要精心設(shè)計才能達(dá)到精度、效率和穩(wěn)定性的最佳表現(xiàn)。掩模對準(zhǔn)器廣泛用于半導(dǎo)體芯片制造、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）印刷電路板（PCB）以及顯示屏制造等領(lǐng)域。

自1947年貝爾實驗室發(fā)明第一個點接觸晶體管以來，光刻技術(shù)一直在發(fā)展隨著時間的推移和技術(shù)的突破，逐漸衍生出不同的發(fā)展模式。誕生于1959年的第一臺晶體管計算機(jī)及其光刻工藝開啟了接近式掩模對準(zhǔn)器的發(fā)展的成就包括世界與和平美國第一個用于單結(jié)構(gòu)硅片的掩模對準(zhǔn)器和CMOS IC制造工藝。20世紀(jì)60年代，飛兆還生產(chǎn)了第一臺IC計算機(jī)IBM360，并建立了第一條2英寸集成電路生產(chǎn)線。隨后，美國GCA公司的光學(xué)圖形發(fā)生器和分布式重復(fù)精縮機(jī)開啟了步進(jìn)式掩模光刻機(jī)的發(fā)展。20世紀(jì)70年代，GCA推出了第一臺分布式重復(fù)投影曝光機(jī)，大大縮小了集成電路圖形的線寬。20世紀(jì)80年代，SVGL 步進(jìn)掃描投影曝光機(jī)進(jìn)一步減小了線寬。隨著時間的推移，光刻技術(shù)不斷突破分辨率極限并采用不同的發(fā)展方向，其中包括極紫外光刻技術(shù)、電子束光刻技術(shù)、x射線光刻技術(shù)和納米壓印技術(shù)等。這些新技術(shù)的出現(xiàn)，使得光刻技術(shù)在不斷努力突破分辨率極限的同時，也在探索新的研究方向，為集成電路的發(fā)展提供了更多的可能性。

全球主要的口罩對準(zhǔn)器公司是荷蘭的阿斯麥公司、日本尼康和佳能，其中阿斯麥的市場份額超過70%，是唯一能夠制造高端極紫外光刻機(jī)的企業(yè)。在2022年，EUV光刻機(jī)占阿斯麥光刻機(jī)產(chǎn)品銷售額的近50%日本佳能公司主要生產(chǎn)I-直線光刻機(jī)尼康公司主要生產(chǎn)除EUV以外的其他光刻機(jī)。在中國公司中，上海微電子的后封裝mask aligner在中國占有80的市場份額%全球市場份額約為40%

一臺完整的光刻機(jī)包含超過10萬個零件，這些零件根據(jù)其功能由幾個關(guān)鍵部件組成，并以部件為最小單元研究光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈。根據(jù)光刻工藝，光刻機(jī)可以分為幾個軟硬件協(xié)同工作的系統(tǒng)。光刻機(jī)中還有幾個關(guān)鍵耗材，在配套設(shè)施中進(jìn)行分類。

結(jié)構(gòu)組件

掩模對準(zhǔn)器結(jié)構(gòu)部件包括光學(xué)部件、工作臺、曝光組件、封閉框架、其他組件等。光學(xué)元件是指激光光源和激光的能量調(diào)節(jié)、用于形狀控制的一系列組件：激光源，即激光發(fā)生器，DUV使用波長為193nm的深紫外激光源，EUV使用193nm.波長為5納米的極紫外激光光源；光學(xué)透鏡是指幾個物鏡和其他光學(xué)透鏡；光束形狀設(shè)置，將光束設(shè)置為圓形、環(huán)形和其他不同的形狀，從而獲得不同的光學(xué)特性；光束校正器校正光束的入射方向以獲得平行光。工作臺包括掩模對準(zhǔn)器中的三個主要工作平臺：測量臺、曝光臺又稱雙臺，一般的光刻機(jī)都是在一個臺上先測量再曝光，雙臺可以同時測量和曝光，提高工作效率；掩模臺控制掩模板的移動，控制精度為納米。暴露組件是指與暴露過程相關(guān)的關(guān)鍵組件：掩模板，即掩模板，是承載IC設(shè)計電路圖的玻璃板激光通過掩模將設(shè)計圖案投射到光刻膠上，掩模的性能直接決定了光刻工藝的質(zhì)量；當(dāng)不需要曝光時，用于防止光束照射硅晶片組件的快門；能量檢測器檢測要照射在掩模上的激光，并將其反饋給能量控制器進(jìn)行調(diào)整以滿足曝光要求。封閉式車架和減震器：將雙工作臺與外界環(huán)境隔離，保持工作臺水平，減少外界振動干擾，保持穩(wěn)定的溫度和壓力。

系統(tǒng)

掩模對準(zhǔn)器系統(tǒng)可以分為10個部件。掩模對準(zhǔn)器 的硬件部件需要組合在一起才能按順序完成工作，因此需要整個軟件系統(tǒng)和控制系統(tǒng)來指揮光刻機(jī)的所有部件，這相當(dāng)于mask aligner 的大腦。

配套設(shè)施

掩模對準(zhǔn)器支持設(shè)施包括：光刻膠、光刻氣體、浸沒液體、涂膠顯影、線材等。光刻膠指的是光刻膠，在曝光過程中用來獲得所需的電路圖像；光刻氣體是指光刻機(jī)產(chǎn)生激光的光源；浸沒液體是指用于浸沒式掩模對準(zhǔn)器如DUV中的液體使用折射率大于1的水作為光刻的介質(zhì)將提高最小分辨率，例如使用折射率為1的水.44去離子水等；涂膠顯影是指一種專用的涂膠顯影機(jī)器，用于進(jìn)行曝光后的顯影過程；導(dǎo)線是指光刻機(jī)中需要的各種電路材料。

光刻（lithography）該設(shè)備為投影曝光系統(tǒng)，由紫外光源組成、光學(xué)鏡片、組裝對準(zhǔn)系統(tǒng)和其他部件。在半導(dǎo)體制造過程中，光刻設(shè)備將通過印有圖案的光掩模和光學(xué)透鏡投射光束，在具有光敏涂層的硅片上曝光電路圖，如圖1所示。通過蝕刻暴露或未暴露的部分形成溝槽，然后進(jìn)行沉積、蝕刻、摻雜，用不同的材料構(gòu)建電路。這個過程一次又一次地重復(fù)，數(shù)十億個MOSFET或其他晶體管被構(gòu)建在硅片上，形成通常所說的集成電路。

掩模對準(zhǔn)器使用納米級激光對硅片進(jìn)行光刻，激光通過一系列光源、經(jīng)過形狀控制的手段后，投影出帶有電路圖的掩膜，將電路圖按一定比例縮小后映射到硅片上。

光源分類

紫外線光刻機(jī) ：紫外光刻機(jī)是一種利用紫外光曝光的光刻機(jī)，主要用于制造微電子器件和微納結(jié)構(gòu)。其光源通常為汞燈或氙氣光源，波長通常為365 nm或248 nm，而使用的光刻膠通常為正膠，分辨率可達(dá)亞微米級。紫外光刻機(jī)的曝光方式通常是投影光刻，即通過掩模將圖形投影到光刻膠表面。由于其高分辨率、高精度、高效率等優(yōu)點，紫外光刻機(jī)被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、光電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

深紫外光刻機(jī)：深紫外（Deep UV）光刻是一種先進(jìn)的光刻技術(shù)，廣泛用于制備10 ~ 250納米尺度的幾何特征。為了使用DUV技術(shù)，需要更短波長的紫外光。為了產(chǎn)生這種紫外光，應(yīng)用了準(zhǔn)分子激光器，其可以產(chǎn)生高度均勻的相干單色光束。其中，氟化氪（KrF）激光可以產(chǎn)生248納米的波長，而氟化氬（ArF）準(zhǔn)分子激光器可以產(chǎn)生波長為193nm的高強(qiáng)度紫外光，在光刻領(lǐng)域得到廣泛認(rèn)可。在實際應(yīng)用中，193納米的波長被視為先進(jìn)光刻領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)能量載體。而在DUV范圍內(nèi)，使用透射光掩模。

極紫外光刻機(jī)：極紫外光刻機(jī)（EUV limit   ultraviolet spectrometer）是一種先進(jìn)的光刻技術(shù)，使用的波長約為13.5納米極紫外光照射。與傳統(tǒng)光刻技術(shù)相比，EUV具有更短的波長，這使得分辨率更高且特征尺寸更小。因此廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造和先進(jìn)的微納加工。EUV光刻技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)和光源技術(shù)非常復(fù)雜，需要精密的設(shè)備和控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。作為半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一，EUV已成功用于生產(chǎn)高性能微處理器和存儲設(shè)備。

曝光分類

接觸式光刻機(jī)：接觸掩模對準(zhǔn)器使用接觸曝光（contact printing）方法掩模板直接與光刻膠層接觸。根據(jù)施力方式，接觸式分為軟接觸、硬接觸和真空接觸。軟接觸是基板被托盤吸附，掩模覆蓋在基板上；硬接觸通過氣壓向上推動基板以接觸掩模；真空接觸是在掩模和基底之間抽吸空氣，使其更好地配合。然而，接觸式掩模對準(zhǔn)器的缺點是光刻膠容易污染掩模板，并且其壽命較短，因此只能使用有限的次數(shù)。由于這些限制，接觸式掩模對準(zhǔn)器在20世紀(jì)70年代逐漸被工業(yè)水平的接近式曝光所取代。

光刻機(jī)

接近式光刻機(jī)：接近式曝光（Proximity Printing打印打印）這是一種復(fù)制光刻方法，其中在掩模和光致抗蝕劑基底之間保留約0 ~ 200μ m的微小間隙。其工作原理是通過掩模與光刻膠基層之間的微小間隙，將掩模上的微納圖案結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到待加工的圖案表面。類似于“手影”游戲中，利用阻擋光線傳播的圖形來形成明暗交替的圖案并記錄所需的圖形。鄰近掩模對準(zhǔn)器具有簡單的結(jié)構(gòu)、加工效率高、成本低，芯片面積曝光大，使用方便。然而，它的分辨率較低、曝光圖形質(zhì)量差、工藝一致性差等缺點，僅為1：1，復(fù)制的圖形不能進(jìn)一步縮小。盡管如此，接近式光刻仍然是器件制造中廣泛使用的光刻方法，特別是對于低分辨率要求的光刻、芯片面積大、厚膠非標(biāo)基板等場景，集成電路除外（IC）而除了平板顯示器之外的各種設(shè)備基本都采用這種方式。接近式光刻可分為手動光刻、半自動和全自動操作模式。

直寫式光刻機(jī)：直寫式掩模光刻機(jī)是一種基于光刻技術(shù)的微電子制造設(shè)備，利用光與光刻膠相互作用的原理。它的工作類似于書寫字體的過程。在操作中，該裝置通過各種方式轉(zhuǎn)換光束（或電子束、離子束）專注于一個微小的點，如筆尖。然后，通過移動筆尖或基板，可以實現(xiàn)它們之間的相對運(yùn)動，從而可以加工任何圖案。直寫式光刻機(jī)具有高精度加工的特點，最細(xì)線的加工精度可達(dá)納米級。然而，直寫式掩模光刻機(jī)采用點加工，效率低且難以實現(xiàn)大面積直寫，不適合大尺寸結(jié)構(gòu)的制造。因此，它主要用于制作掩模板。

半導(dǎo)體芯片制造

掩模對準(zhǔn)器在半導(dǎo)體工業(yè)中起著至關(guān)重要的作用它是將精細(xì)圖案精確轉(zhuǎn)移到硅片表面的關(guān)鍵制造工具。在集成電路制造中，光刻機(jī)有助于定義電路的結(jié)構(gòu)和元件，實現(xiàn)納米尺度的圖形制作，制造高密度集成電路和其他微納器件。此外，mask aligner還實現(xiàn)了多層次制造，將不同層次的圖案精確轉(zhuǎn)移到芯片表面，實現(xiàn)復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，并在工藝控制中確保圖案的準(zhǔn)確性和一致性，從而實現(xiàn)高質(zhì)量的芯片制造。

MEMS （微電子機(jī)械系統(tǒng)）

MEMS是一種微型傳感器、致動器和微結(jié)構(gòu)集成系統(tǒng)。光刻是制造MEMS微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝，可以將微米級甚至納米級的圖形精確地轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體材料上，用于制造微電子器件。它可以實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的制造，例如微機(jī)械傳感器和致動器。它還支持多層制造，以實現(xiàn)復(fù)雜的MEMS結(jié)構(gòu)，如微型加速度計、微型陀螺儀等。使用掩模對準(zhǔn)器還可以確保制造過程的精度和一致性，從而實現(xiàn)高質(zhì)量的MEMS制造。

印刷電路板 （PCB）

光刻技術(shù)在PCB制造中起著重要作用，用于精確定義導(dǎo)線、孔和其他精細(xì)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)復(fù)雜的電路板設(shè)計。光刻機(jī)可以精確地將微米級甚至納米級的圖案轉(zhuǎn)移到基板表面，并實現(xiàn)PCB上微電路和微結(jié)構(gòu)的制造。這項技術(shù)用于高密度互連（HDI）在PCB制造中尤為重要，可以實現(xiàn)高分辨率的圖形制作，可以應(yīng)用于多層次制造，實現(xiàn)復(fù)雜的PCB結(jié)構(gòu)。光刻機(jī)還起到工藝控制的作用，保證微米甚至納米級別的圖形精度和一致性，為高質(zhì)量的PCB制造提供保障。

顯示屏制造

掩模對準(zhǔn)器在LCD上（LCD）和有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）它在顯示技術(shù)中起著重要作用，例如定義像素和電路，以及實現(xiàn)高分辨率和高質(zhì)量的顯示屏制造。通過將微米級甚至納米級圖案精確轉(zhuǎn)移到襯底表面，掩模對準(zhǔn)器可以幫助制造細(xì)線和像素結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)復(fù)雜顯示結(jié)構(gòu)的制造，例如多級有機(jī)發(fā)光二極管顯示器。同時，掩模對準(zhǔn)器還在工藝控制中發(fā)揮作用，以確保圖案的準(zhǔn)確性和一致性，從而實現(xiàn)高質(zhì)量的顯示器制造。