在半导体芯片制造中，光刻机的核心任务是把电路图案转移到硅片表面。一个芯片往往需要几十层甚至上百层结构，每一层的图案必须和前一层精准对齐，否则整个电路就会失效。这个过程被称为 对位（Alignment）。

一、为什么要对位？

芯片并不是一次成型的，而是层层叠加加工出来的。比如：

第一层可能是栅极结构；

第二层可能是导线；

第三层可能是绝缘层开口……

如果新一层的图案和前一层偏差几纳米，电路可能就会短路或断路。随着制程进入7nm、5nm甚至更先进的节点，对位误差必须控制在亚纳米级，这对光刻机的对位系统提出了极高要求。

二、尼康光刻机对位的基本原理

尼康光刻机的对位核心思想是：通过光学检测晶圆上的标记（Alignment Marks），计算出偏差，然后实时调整晶圆或投影系统的位置，使新图案与旧图案精确叠合。

主要原理步骤：

对位标记（Alignment Marks）

在晶圆的不同位置，事先刻蚀了特殊图形标记（如十字形、线条或格点），用于后续层的定位。

光学检测

光刻机使用特殊的对位光学系统，照射并采集这些标记的反射或散射信号。通过干涉或衍射原理，精确判断标记的位置。

误差计算

系统会计算新一层掩模图案与已有标记之间的偏差，包括平移（X、Y方向）、旋转、放缩和畸变。

实时校正

光刻机通过超精密的晶圆平台（stage）或掩模调整机构进行补偿，把偏差修正到纳米级甚至亚纳米级。

三、尼康光刻机的特色对位技术

TTL对位（Through The Lens Alignment）

TTL是尼康的重要技术之一。它利用与曝光同一套投影透镜来观察晶圆上的对位标记。优点是：曝光光路和对位光路完全一致，避免了不同光路造成的偏差，提高了对位精度。

光学干涉与衍射原理

尼康的对位系统会利用激光或特定波长光源照射标记，通过干涉条纹或衍射信号来定位。这种方式精度极高，可达纳米级。

全球对位与局部对位

全球对位（Global Alignment）：以晶圆上分布的多个标记为基准，整体计算畸变并修正。

局部对位（Field by Field Alignment）：在每一个曝光区域单独进行微调，以补偿局部误差。尼康光刻机通常两者结合使用。

重叠误差控制（Overlay Control）

尼康光刻机内置反馈系统，能实时检测并修正曝光层和前一层之间的误差，把叠加误差（Overlay Error）控制在亚纳米级别。

四、硬件支持

尼康光刻机的对位精度离不开其硬件：

高精度晶圆平台：采用空气轴承或磁悬浮技术，保证移动平稳、无摩擦，可在纳米级精度范围内快速定位。

干涉仪测量系统：利用激光干涉原理，实时监测平台位置，分辨率可达亚纳米。

温度与震动控制：对位精度对环境极其敏感，尼康光刻机的机体和工作环境控制在恒温无尘条件下，震动通过主动隔离系统消除。

五、对位的难点

制程缩小：在7nm甚至3nm工艺下，允许的对位误差往往低于2nm，几乎接近原子尺度。

晶圆畸变：晶圆在高温处理过程中会轻微变形，需要对位系统进行复杂的数学补偿。

光学噪声：对位标记可能因工艺差异导致信号弱化，增加了检测难度。

六、总结

尼康光刻机的对位原理，本质上是 “光学检测+误差计算+实时补偿”。通过TTL对位、干涉衍射测量、全球与局部结合等技术，尼康光刻机能够把每一层电路图案与前一层精准对齐，保证了芯片制造的良率。