MEMS光刻机是一种专门用于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）制造的精密设备，它结合了传统半导体光刻技术与三维微结构加工的特点，用于在硅片、玻璃或其他基底上形成微米级乃至纳米级的结构图案。

一、MEMS光刻机的基本概念

MEMS光刻机是一种将光掩模（Mask）上的几何图案，通过紫外光或深紫外光投影到涂有光刻胶的晶圆上的设备。通过曝光和显影后，光刻胶形成所需的微结构图案，这些图案将作为后续刻蚀、沉积、离子注入或电镀等工艺的模板。与用于IC制造的光刻机不同，MEMS光刻机更注重厚膜光刻、非平面表面曝光和大面积图案对准。

在MEMS中，光刻不仅用于形成电路，还用于构建三维结构，如微悬臂梁、微腔、微透镜阵列等。

二、MEMS光刻机的工作原理

光刻机的基本工作原理是光学成像投影，即利用光的照射特性将掩模上的图案精确地转移到光刻胶表面上。整个过程通常包括以下几个步骤：

光刻胶涂布

在硅片或玻璃基底上旋涂一层感光胶（光刻胶）。不同的MEMS结构需要不同厚度的光刻胶，厚度从几微米到上百微米不等。常见的厚膜光刻胶如SU-8，适用于形成高深宽比结构。

软烘烤

光刻胶旋涂后含有溶剂，需要在低温下烘烤去除溶剂，使胶层均匀且附着力增强。

曝光（核心步骤）

曝光时，光刻机通过光学系统将掩模上的图案转移到光刻胶上。MEMS光刻机常采用紫外（UV）或深紫外（DUV）光源，波长一般为365nm、248nm或193nm。

曝光方式主要分为三类：

接触式曝光（Contact Exposure）：掩模与光刻胶表面直接接触，成像分辨率高，但易造成掩模损伤；

近接式曝光（Proximity Exposure）：掩模与样品间保持微小间隙，可减少损伤但略损分辨率；

投影式曝光（Projection Exposure）：通过光学镜头缩小掩模图案后投射到样品上，适合大规模精密加工，是高端MEMS光刻机的主流形式。

显影

曝光后，光刻胶中被光照区域发生化学反应，显影剂会溶解其中的一部分，形成所需的图案。

硬烘烤与刻蚀

显影后进行硬烘烤以稳定光刻图案，随后通过干法刻蚀（等离子体刻蚀）或湿法刻蚀将图案转移至基底材料中。

三、MEMS光刻机的关键技术

对准与定位系统

MEMS器件通常需要多层结构叠加，因此光刻机必须具备高精度对准功能。现代MEMS光刻机使用激光干涉测量系统，能实现亚微米级的对准精度。

焦距控制系统（Focal Control）

MEMS器件表面往往不平整，焦距控制系统通过实时测距与自动调焦技术，确保光斑始终聚焦在正确平面上，保证曝光均匀。

厚膜曝光技术

传统IC光刻胶厚度只有几百纳米，而MEMS常需10~200微米厚的光刻胶层。厚膜光刻机通常使用高强度UV光源（如汞灯或LED阵列）和均匀照明系统，以确保深层曝光完整。

三维光刻（3D Lithography）

为制造复杂的微结构，MEMS光刻机可通过灰度掩模（Gray-Scale Mask）或多重曝光技术控制光刻胶不同深度的曝光剂量，从而在一层光刻胶中形成不同高度的三维结构。

投影光学系统

高端MEMS光刻机采用多片透镜组合的光学系统，能实现缩小投影（例如10倍或5倍缩小），并使用抗反射涂层减少像差，提高边缘清晰度。

四、MEMS光刻机与传统IC光刻机的区别

分辨率要求不同：IC光刻机追求极限分辨率（目前已到EUV 13.5nm级别），而MEMS光刻机主要关注结构尺寸和厚度一致性，一般在1~5微米即可。

光刻胶厚度不同：MEMS常使用厚膜光刻胶以形成高深宽比结构，而IC工艺光刻胶较薄。

曝光方式不同：MEMS更常用接触式或近接式曝光，成本低且能加工大面积结构。

材料多样：MEMS加工的基底除硅外，还有玻璃、石英、聚合物、金属等多种材料。

五、MEMS光刻机的典型应用

传感器制造：如加速度计、陀螺仪、压力传感器、红外探测器等。

生物芯片：在玻片上制作微通道、微反应室，用于细胞培养和检测。

光学MEMS：如微镜阵列、微透镜、光调制器等。

微流控芯片：用于精密流体控制和化学反应分析。

六、总结

MEMS光刻机是微机电系统制造的基础设备，其核心原理是利用光的照射将掩模图案高精度转移到感光材料上，通过显影和刻蚀形成微米乃至纳米结构。它不仅延续了半导体工艺的精密特征，又结合了三维加工的灵活性。随着MEMS在汽车、生物医疗、智能设备等领域的广泛应用，MEMS光刻机正不断向更高分辨率、更厚胶加工、更智能自动化方向发展，成为连接微观世界与宏观器件的重要桥梁。