概述

紫外线光刻机（UV Lithography System）是一种利用紫外光将图案转印到光刻胶上的关键设备，广泛应用于半导体制造、微机电系统（MEMS）、微流控芯片等领域。

工作原理

紫外线光刻机的工作流程可大致分为光掩膜对准、光刻胶涂覆、预烘、曝光、显影、后烘、刻蚀与去胶等步骤。其核心在于将预先设计好的掩膜（Mask 或 Photomask）图案，在准直的紫外光照射下，经投影或接触贴合方式，精准地转印到基片上的光刻胶层中。

主要组成

光源系统：常用的紫外光源有汞灯（Hg 式）和氨灯（Hg–Xe 混合灯），典型波长为 i-line（365 nm）、h-line（405 nm），以及更短波长的深紫外（DUV，248 nm）和极紫外（EUV，13.5 nm）。波长越短，分辨率越高。

掩膜对准系统：包括高精度的光学对准仪和机械平台，可实现纳米级对位精度，确保多层图案之间的准确叠合。

投影或接触曝光系统：主流设备多采用投影曝光（Step-and-Repeat），通过高倍率显微镜镜头（如 4×、5×、10× 镜头）将掩膜图案缩小投影到晶圆上。接触或邻近曝光由于接触膜版与光刻胶面，分辨率受限且风险更高。

机械运动与聚焦系统：高精度 XY 台和 Z 轴聚焦系统，配合主动反馈控制，实现曝光前对焦与扫描定位，保证每个曝光窗口的图像清晰。

关键工艺参数

分辨率（Resolution）：近似由 0.61 λ/NA 给出，其中 λ 为曝光波长，NA 为投影镜头数值孔径。缩短 λ 或增大 NA 可提升最小可分辨线宽。

对准精度（Overlay Accuracy）：多层图案叠加时的定位误差，先进设备可达 < 10 nm 级。

曝光均匀性（CD Uniformity）：全晶圆或一扫描行内线宽一致性的度量，通常控制在 ±2% 以内。

深度焦差（Depth of Focus, DOF）：与 λ/(NA²) 成反比，DOF 越大，对工艺容差越友好，但与分辨率存在折衷。

工艺流程

涂胶（Spin Coating）：将液态光刻胶均匀涂覆在晶圆上，通过旋转使其厚度可控；

预烘（Soft Bake）：在 90–100 °C 下去除胶液中溶剂，增强光刻胶与基片的附着；

曝光（Exposure）：根据所需图形，选择合适的光剂量与聚焦深度，将紫外线照射至光刻胶；

显影（Development）：将曝光后光刻胶浸入或喷淋开发液，溶解、去除受光或未受光区域；

后烘（Post-Exposure Bake, PEB）：对残留光刻胶进行交联或稳定，减少显影缺陷；

刻蚀与去胶（Etch & Strip）：暴露基片表面后进行干法或湿法刻蚀，再剥离光刻胶，完成图案转移。

典型应用

半导体制造：晶圆上的晶体管、互连线等电路图形刻蚀；

MEMS 设备：制造加速度计、陀螺仪等微机电结构；

微流控芯片：刻蚀微通道和反应腔，用于生物检测与化学分析；

光学元件：制备微透镜阵列、衍射光栅等微纳光学结构。

优势与挑战

优势

高分辨率：配合深紫外和高 NA 投影镜头，可实现亚百纳米级图形；

高通量：投影曝光方式适合大规模晶圆批量处理；

成熟稳定：光刻工艺是 IC 制造的支柱，设备与材料供应体系完善。

挑战

成本高昂：尤其是更短波长（DUV、EUV）光源和高 NA 镜头价格昂贵；

工艺复杂：多层对准、光刻胶优化与缺陷控制需要精密调校；

物理极限：随着波长缩短和分辨率提升，对镜头制造、光源功率，以及光刻胶性能提出更苛刻要求。

发展趋势

极紫外光刻（EUV）：13.5 nm 波长光源已经在领先厂商中装备，用以制造 5 nm 及更小工艺节点；

多重图案化（Multi‑Patterning）：利用双重或四重刻蚀工艺突破曝光分辨率限制；

光刻胶与辅助成像技术：开发更高灵敏度的化学放大胶、相位光罩、辅助光学成像技术（OPC、SMO）等；

智能化与自动化：结合机器视觉与大数据分析，实现在线缺陷检测与工艺自适应优化。

总结

紫外线光刻机是现代微纳加工领域不可或缺的核心装备，它将光学、机械、材料与控制技术深度融合。随着光源技术、光学设计与计算算法的持续发展，UV 光刻将不断向更高分辨率、更高产能和更低成本的方向演进，为半导体及微系统技术的进步提供强大支撑。