SML光刻机是半导体制造中重要的光刻设备之一，SML可理解为“Semiconductor Manufacturing Lithography”的缩写，也代表了日本Canon（佳能）或Nikon（尼康）等厂商在中高端光刻领域的机型系列名称。SML光刻机的主要作用，是在晶圆（wafer）表面将电路图案精确转印到光刻胶上，为芯片制造的蚀刻、离子注入等后续工艺提供基础模板。其核心原理基于“光学投影成像”，与照相机成像原理类似，但分辨率、对位精度、稳定性都提升到纳米级别。

一、SML光刻机的基本构成

SML光刻机主要由五大系统组成：光源系统、照明系统、掩模投影系统、晶圆工作台系统、控制与对位系统。 各部分协同工作，完成一次高精度的曝光过程。

光源系统

光刻的分辨率与光的波长密切相关。SML光刻机根据型号不同使用不同光源：

G线（436nm）或I线（365nm）用于成熟制程（>350nm）。

KrF（248nm）和ArF（193nm）准分子激光用于主流制程（90nm–28nm）。

ArF浸没式（ArFi）光刻系统可进一步提升分辨率至10nm级别。

光源通过稳定的激光发射模块产生高强度、均匀的光束，并经光学系统整形后照射掩模。

照明系统

照明系统将激光均匀地分布在掩模（mask）上，控制入射角度与光强分布，以优化图像对比度与边缘锐度。现代SML光刻机常采用可变数值孔径照明（NA）设计，可根据图案复杂度调整光线形态，实现最佳曝光条件。

掩模投影系统

掩模是刻有电路图案的石英玻璃板，相当于芯片的“底片”。光线通过掩模后，图案被投影到晶圆表面。

在传统SML机型中，投影物镜实现5:1或4:1的缩小成像。

物镜由多组高纯度透镜组成，表面镀膜以消除色散与反射误差。

系统中的“数值孔径（NA）”越大，分辨率越高。

晶圆工作台系统

晶圆被固定在气浮平台上，可在X、Y、Z方向及倾斜角上精确移动。SML光刻机的定位精度通常达到纳米级，通过激光干涉仪或光学编码器实时检测位置误差，保证每次曝光都准确叠加到前一层电路上。

控制与对位系统

对位系统是光刻机的灵魂部分。SML光刻机利用光学显微对准标记（Alignment Mark），通过图像识别和干涉测量实现层间对齐。现代SML设备的对位精度可达±2纳米，确保几十层电路层精确叠合。

二、SML光刻机的工作原理

整个光刻过程包括：光刻胶涂布 → 软烘 → 曝光 → 显影 → 硬烘 → 蚀刻。

SML光刻机负责其中的“曝光”环节，其原理如下：

晶圆表面涂上光刻胶（Photoresist），光刻胶是一种对光敏感的聚合物材料。

光通过掩模的透明部分，被物镜聚焦到光刻胶上。

光能使光刻胶的化学结构发生变化：

正性光刻胶：曝光区域溶解；

负性光刻胶：曝光区域固化。

显影后，光刻胶上的图案即成为电路的基础结构。

简单来说，SML光刻机通过光学投影将掩模上的微图案“印”在晶圆上，这就像用超高精度的照相机拍下电路图像。

三、SML光刻机的核心原理与技术

分辨率控制原理

光刻的分辨率由以下物理关系决定：分辨率与光波长成正比，与物镜数值孔径成反比。波长越短、NA越大，分辨率越高。SML光刻机通过采用更短波长的激光和高NA光学系统来提升图像清晰度。

浸没式光刻技术

为突破空气折射率的极限，ArFi光刻机在透镜与晶圆之间注入超纯水，使折射率由1.0提升至1.44，相当于有效提高了分辨率约30%。这项技术是SML光刻机迈向10nm节点的关键。

步进与扫描（Stepper & Scanner）

传统Step-and-Repeat曝光方式一次曝光一个区域，而SML光刻机多采用扫描曝光（Step-and-Scan）方式。掩模与晶圆同步移动，通过狭缝式照明实现连续曝光，大大提高了图形精度与曝光面积一致性。

自动校准与反馈控制

SML光刻机内置高精度温度传感器、位置检测系统与数据反馈控制模块。设备在每次曝光前会自动测量光强、焦距与掩模变形，并实时调整，确保长期稳定运行。

四、SML光刻机的优势与应用

SML光刻机以高精度、稳定性和兼容性著称，常用于：

半导体晶圆制造（如28nm–90nm工艺）；

微机电系统（MEMS）加工；

光电子芯片（如图像传感器、LED基板）生产；

实验室原型光刻及大学教学研究。

其优势包括：

曝光精度高，图形边缘平滑；

系统稳定性强，可长时间连续工作；

软件操作界面友好，支持自动对焦与自动对准；

部分机型支持双波长光源或混合曝光方案，适应不同工艺需求。

五、总结

SML光刻机是一种基于光学投影成像原理的高精度微图形转移设备，通过短波长激光光源、高NA透镜系统、精准对位平台和智能控制系统，将掩模上的微米或纳米级电路图形准确转印到晶圆表面。它的运行精度可达纳米级，是芯片制造、光电子与微结构加工领域的核心设备。