研究所或高校实验室常用的光刻机，与工业芯片厂的高端光刻机不同，通常属于“微纳加工实验设备”，主要用于教学、科研原型开发、小批量实验芯片加工。其核心任务是将微米级或纳米级的图形，通过光照方式转移到光刻胶上。

一、研究所光刻机的系统结构

常见类型包括接触式光刻机、邻近式光刻机和投影式光刻机。典型系统由以下部分构成：

1. 光源系统

研究级光刻机使用的光源稳定、成本可控，常见种类：

汞灯（g线 436nm、h线 405nm、i线 365nm）

365nm LED阵列光源

248nm KrF准分子激光（部分高端实验室使用）

深紫外（DUV）激光光源

光源通过准直器、滤光片和匀光器形成均匀平行光，保证曝光强度一致。

2. 光学投影或接触结构

根据模式不同：

接触式：掩模直接接触光刻胶，成像清晰但容易磨损掩模

邻近式：掩模与光刻胶距离几微米，减少刮伤，但分辨率略低

投影式：使用物镜把图形缩小后投影到晶圆上，分辨率最佳

多数研究所设备使用接触式或邻近式，因为结构简单、维护成本低。

3. 掩模对准系统

光刻需要掩模版与硅片上已有图形精确叠加。对准方式包括：

显微镜对准（最常见）

自动图像识别

激光干涉对准（少数高端机型）

对准精度通常在 0.5~2 微米之间。

4. 晶圆台（样品台）

用于放置并固定样品，可进行：

精密位移（X/Y/θ）

真空吸附

调节平整度

高等级机型可达到亚微米定位。

5. 控制系统与曝光计时系统

设备内部的控制器可调节曝光时间、光强、对准偏移、对焦距离等参数。

二、光刻机技术的核心原理

研究所光刻机的基本原理可以概括为：

光源 → 掩模图形 → 光刻胶光化学反应 → 显影得到图形

1. 掩模版与图形传输原理

掩模版上刻有所需微图形，通常为 Cr/石英结构。曝光时光源透过透明区域，不透过金属遮光区域，从而在光刻胶中形成对应的能量分布。

光刻胶分为：

正胶：曝光区域变可溶，显影后被冲走

负胶：曝光区域变不溶，未曝光部分被冲走

这是光刻图形形成的基础。

2. 光学成像与分辨率限制

研究所级设备多采用紫外光源，因此分辨率由以下因素决定：

(1) 光源波长 λ

波长越短分辨率越高。

例如：365nm优于405nm。

(2) 光刻胶厚度和反射效应

光刻胶过厚会导致图形边缘扩散或侧壁倾斜。

(3) 接触式 vs 投影式

接触式理论上分辨率最高，因为无成像透镜，但掩模易受损。

投影式有镜头成像，则分辨率由镜头数值孔径 NA 决定，但图形可缩小到原来的1/5或1/10，提高精度。

3. 光刻胶的光化学反应

在曝光过程中，紫外光激发光刻胶内部的感光剂，使其发生化学变化。

正胶常见反应：

光能破坏抑制基团，使聚合物变可溶

负胶的反应则相反：

光能触发交联，使其变得不溶解

显影液（如TMAH）会选择性溶解发生反应的区域，从而显现图形。

三、研究所光刻机的曝光流程

光刻机的典型操作流程如下：

1. 光刻胶旋涂（spin coating）

把硅片放在旋涂机上，将光刻胶均匀涂成 1~2 μm 厚薄膜。

2. 软烘烤（soft bake）

加热去除溶剂，使光刻胶稳定。

3. 掩模对准

将掩模与晶圆上已有图形对准。

使用高倍显微镜定位十字标记，实现微米级叠加。

4. 曝光

调节曝光能量、时间、光强，进行图形转移。

5. 显影

将曝光后的样品浸入显影液中，获得完整的微图形。

6. 硬烘烤（hard bake）

进一步固化光刻胶，提高附着力和耐蚀性。

四、研究所光刻机的特色与优势

研究所使用的光刻机具有以下特点：

1. 模块化、操作灵活

适合多种材料：硅片、玻璃、GaAs、柔性基底等。

2. 微米级分辨率足够用于多数研究

常见分辨率 1~2 μm，高端投影式可达 200~500 nm。

3. 维护简单，成本远低于工业机

实验室机型价格通常为几十万元到数百万元，比ASML动辄上亿的设备可负担得多。

4. 可用于不同科研场景

微流控芯片

传感器

纳米器件

生物芯片

教学示范

五、局限性

研究所光刻机与工业高端机相比，也存在一些不足：

分辨率较低（难以进入几十纳米级）

重复性和均匀性略弱

自动化程度不高

对准精度有限

但对于科研实验而言，这些通常是可以接受的。

总结

研究所光刻机以紫外光为核心光源，通过掩模版、光学系统和光刻胶的光化学反应，实现微米级图形的复制。其原理虽不如工业芯片厂的EUV光刻那样复杂，但足以完成微纳器件、传感器、生物芯片和教学实验的所有典型需求。