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曝光是半导体器件制造工艺中的一个关键步骤，用来将掩模版上的图案模板转移到衬底上，形成所需的光刻图案。在曝光过程中，使用特定的曝光设备和光源，将掩模版上的图案进行投射，使光刻胶在被光照射的区域发生化学或物理变化。曝光的主要目的和作用如下。
（1）形成图案：通过将掩模版与光源结合，使光照射到光刻胶上形成所需的图案。图案的形成主要通过光照引起的光敏反应或聚合反应来实现。
（2）传递尺寸和形态：通过曝光设备和曝光参数的控制，可以将掩模版上的图案以特定的尺寸和形态传递到光刻胶上。这是实现器件设计要求、特定器件结构和图案尺寸控制的关键。
（3）分辨率和图案精度：曝光过程中的光源和光刻胶特性的控制，可以影响光刻胶上图案的分辨率和精度。通过优化光源的波长、光斑形状、光刻胶的感光特性等因素，可以实现更高的分辨率和更好的图案精度。
（4）控制剂量和曝光时间：通过控制曝光剂量和曝光时间，可以调节光刻胶对光的响应程度，从而实现不同深浅的图案定义或不同程度的图案抑制。
曝光作为半导体器件制造工艺中的核心步骤，其参数和控制对于器件的性能和制造的成功至关重要。适当的曝光技术和优化的参数选择，可以实现高精度、高分辨率的图案定义，为后续显影和刻蚀步骤打下良好的基础。
光刻胶由树脂、感光化合物和溶剂3种基本成分组成。根据在显影过程中曝光区域的去除或保留可分为两种——正性光刻胶（positive photoresist，简称正胶）和负性光刻胶（negative photoresist，简称负胶）。
负胶的曝光区域在光照的作用下发生光化学交联反应，形成高分子聚合物，使其在甲苯（C 7 H 8 ）或者二甲苯（C 8 H 10 ）之类的有机溶剂中的溶解度显著下降，而未曝光的区域溶于这些有机溶剂，可将与掩模版上相反的图案复制到衬底上。
正胶的曝光区域在光照的作用下发生反应，生成可溶于碱的酸性物质，在碱性的显影液中发生溶解，而未曝光的区域不溶于显影液，可将与掩模版上相同的图案复制到衬底上。根据应用的光刻波长，正胶又可分为紫外正性光刻胶和深紫外化学放大正性光刻胶。
紫外正性光刻胶应用于紫外（300～450 nm）光源曝光，感光剂（photo active compound，PAC）为重氮萘醌（diazonaphthoquinone，DNQ），基体为酚醛树脂。在曝光的区域里，DNQ会形成乙烯酮，由此再与环境中的水形成可溶于碱的茚羧酸（图2-11）。
图2-11 正性光刻胶中的感光剂DNQ在曝光及显影过程中的变化
深紫外化学放大正性光刻胶应用于深紫外（150～280 nm）光源曝光，以光酸产生剂（photo acid generator，PAG）作为感光剂，以与PAG感光剂相匹配的聚合物树脂作为成膜基体材料。应用化学放大（chemical amplification）原理：PAG感光剂吸收光子后分解产生光酸，光刻胶膜中形成掩模图案的潜像，在PEB的热作用下，光酸促使树脂中对酸敏感的部分分解，产生可溶于碱性溶液的基团。这种反应具有级联特点，类似催化反应，导致光化学反应作用得到“放大”（图2-12），使曝光区域转化为可溶性化合物，显影后得到掩模版图案。
图2-12 深紫外化学放大正性光刻胶中的反应过程
其中INSOL是不溶性基团，SOL是可溶性基团。
根据曝光的工作方式，可分为接触式/接近式曝光、无掩模激光直写、电子束曝光、DUV/EUV步进式曝光、DUV/EUV扫描式曝光等（表2-1）。不同曝光技术各有其特定应用领域和优缺点。选择合适的曝光技术取决于所需的分辨率、生产效率和成本。接触式/接近式曝光技术适用于低分辨率应用；无掩模激光直写和电子束曝光适用于高精度要求的小批量或研究级应用；DUV/EUV技术则是面向大规模半导体加工的高效解决方案。以下分别对不同曝光类型的原理和工艺做详细介绍。
表2-1 不同曝光技术的对比
（续表）
接触式/接近式曝光使用高压汞灯作为光源（波长为365 nm的I线与405 nm的H线），将其投射到掩模版上，光线通过镜头使掩模版上的图案1∶1印在样品表面，工作原理如图2-13所示。
接触式与接近式的区别在于：接触式曝光是将掩模版与光刻胶直接接触，然后使用紫外光或深紫外光源进行曝光。光透过掩模版的透明区域传递到光刻胶上，形成所需的图案。而接近式曝光是在掩模版和光刻胶之间保留一定的间隙，使用紫外光或深紫外光源进行照射。光通过掩模版的透明区域，将图案投射到光刻胶上。具体原理如图2-14所示。
图2-13 接触式/接近式曝光的工作原理示意图
图2-14 两种曝光方式的区别
（a）接触式曝光；（b）接近式曝光。
除了工作原理的不同，接触式曝光和接近式曝光还有一些区别和特点。
（1）分辨率能力：由于接触式曝光可以实现掩模版和光刻胶的直接接触，不受衍射和散射的限制，因此可以实现更高的分辨率。而接近式曝光由于掩模版和光刻胶之间有一定的间隙，受到光的衍射限制，分辨率相对较低。
（2）对掩模版要求：接触式曝光对掩模版要求更高，需要具备较高的平整度和表面光洁度，以确保与光刻胶的充分接触和传递良好的图案细节。而接近式曝光对掩模版要求相对较低，因为图案是通过光进行传输的。
（3）适用对象：接触式曝光通常适用于对分辨率和图案精度要求较高的装置和工艺。接近式曝光相对更灵活，适用于对分辨率要求相对较低的应用，也可获得更大的曝光面积。
综上所述，接触式曝光和接近式曝光在曝光原理、分辨率能力、对掩模版要求和适用对象等方面存在区别。选择合适的曝光方式取决于工艺要求、器件设计和图像分辨率的需求等因素。
接触式曝光和接近式曝光是常用的曝光方法，具有高曝光效率，但由于需要使用掩模版，容易出现损伤和沾污的问题。为了优化这个问题，可以采取以下措施。
（1）加强对掩模版的保护：定期对掩模版进行清洁和维护，确保其表面干净，减少沾污的可能性。同时，在使用过程中，可以增加掩模版的保护罩或者使用遮挡物，防止碰撞和损伤。
（2）优化曝光过程：通过精确调整曝光参数和工艺，减少曝光时间和光强，降低对掩模版的损伤风险。优化光源的均匀性，改善光刻胶的散射能力，减少曝光过程中可能产生的反射和散射，从而减少掩模版损伤。
（3）开发更耐磨、抗沾污的掩模版材料：研发新材料，具备更好的耐磨性和抗沾污性，减少掩模版的损伤和沾污。此外，引入抗静电涂层和防粉尘涂层等技术手段，为掩模版表面增加保护层，提高掩模版的耐用性。
（4）建立操作规范：制定一套完善的操作流程，包括掩模版的安装、拆卸、清洁和维护等步骤。培训操作人员正确使用和保护掩模版，增强其意识和技能，有效降低损伤和沾污的风险。
（5）引入自动化设备：采用自动对位和取片系统等自动化控制技术，减少人为因素对掩模版的损伤。使用自动化设备可以降低人工接触和摩擦，减少掩模版损伤的可能性。
综上所述，通过加强对掩模版的保护、优化曝光过程、开发新材料、制定操作规范和引入自动化设备等措施，可以有效解决接触式/接近式曝光中掩模版容易损伤和沾污的问题。
接触式/接近式曝光分辨率均取决于光刻机、光源和掩模版的特性。通常情况下，接触式曝光的分辨率较高，可以达到亚微米级别甚至更小的特征尺寸；而接近式曝光的分辨率相对较低，通常限制在几微米到几十微米的范围。
对准包含正面对准和背面对准，这是光刻技术中常用的两种对准方式，它们具有不同的特点和应用场景。
（1）正面对准（frontside alignment）：指通过掩模版和衬底（晶圆）的正面对准标记，实现图案的对准。这种对准方式通常通过显微镜或光学对准系统进行观察和调整。其特点如下。
①适用于单面处理工艺，如单面晶圆制程。
②对准精度较高，可以在亚微米级别实现对准。
③通常使用光学方法进行，成本较低。
（2）背面对准（backside alignment）：指通过在晶圆背面刻上对准标记，通过背面透射或反射光的方式，实现图案的对准。这种对准方式用于双面处理或背面直写工艺中。其特点如下。
①适用于需要对准晶圆背面的工艺，如双面晶圆制程。
②对准精度相对较低，通常在几微米到数十微米之间。
③需要使用特殊的透射或反射光照射和检测设备，成本较高。
总体而言，正面对准适用于单面处理工艺，对准精度高且成本相对较低，适合于制造需要高精度的器件；而背面对准适用于双面处理工艺，对准精度相对较低且设备成本较高，适合于对准背面图案的特定需求。选择合适的对准方式需要考虑具体工艺需求和设备条件。
对准精度是指在多次曝光和对准过程中，不同层之间特征的对准精度。接触式曝光由于采用了直接接触方式，可以实现较高的套刻精度。它通常可以达到亚微米级别的套刻精度。而接近式曝光由于光刻机和样品之间存在一定的距离，套刻精度相对较低，通常在几微米到几十微米的范围。
以苏斯微技术制造的型号为MA6/MB6的接触式/接近式曝光机为例，其分辨率为0.8μm，正面及背面对准精度分别为±0.5μm和±1.0μm。
由于该类设备的精度较低，主要用于实验室研发，因此其可容忍的样品尺寸具备灵活性，通常会兼容晶圆及小样品的曝光。配套使用的掩模版也具备灵活兼容性，适用于2.5～5 in的掩模版。
接触式/接近式曝光机的工作模式主要包括真空接触模式（vacuum contact mode）、硬接触模式（hard contact mode）、软接触模式（soft contact mode）和接近式模式（proximity mode）。每种模式都有其适用场景和限制条件。
（1）真空接触模式
指在进行曝光之前，将掩模版和衬底（晶圆）通过真空吸附在一起，形成一个稳定的接触状态，然后进行曝光（图2-15）。这种模式下，掩模版和晶圆之间的空气被抽出，减少了空气的干扰，提高了曝光的精度。
图2-15 真空接触模式工作原理示意图
①适用场景：适用于对准要求较高、需要提高曝光精度（1.5μm以下）和稳定性的工艺。
②限制条件：在设备成本、维护和操作等方面要求较高，需要专门的设备和操作技术。同时，由于接触过程中可能会产生较大的接触力，容易导致掩模版损伤。此外，该模式仅可使用完整晶圆。
（2）硬接触模式
指在曝光过程中，掩模版和晶圆通过机械加压的方式直接接触在一起，然后进行曝光（图2-16）。在这种模式下，接触力较大，确保了掩模版和晶圆的紧密接触。
图2-16 硬接触模式工作原理示意图
①适用场景：适用于对准要求较高、需要高曝光精度（1.5μm以上）和稳定性的工艺。常见于一些高分辨率的半导体工艺，如先进的CMOS制程。
②限制条件：需要控制好加压力度，避免过度的压力导致掩模版的损伤。同时，硬接触模式对于晶圆表面的平整度和光刻胶的厚度要求较高。
（3）软接触模式
指在曝光过程中，掩模版和晶圆以较小的接触力直接接触在一起（图2-17）。这种模式下，接触力相对较小，可以减少对掩模版的损伤。
图2-17 软接触模式工作原理示意图
①适用场景：适用于对准要求较高、需要较小接触力（精度大于2.5μm）和较低的掩模版损伤风险的工艺。常见于一些光刻工艺和微机电系统（microelectromechanical system，MEMS）制造等。
②限制条件：要求掩模版和晶圆表面的平整度和光刻胶的厚度要匹配，避免不均匀接触或光刻胶的过度变形。
（4）接近式模式
指在曝光过程中，掩模版和晶圆之间通过一定的距离进行曝光，而不直接接触在一起。光照通过掩模版的透明区域到达光刻胶和衬底。
①适用场景：适用于对准要求相对较低、曝光精度要求低（大于3μm）、较大曝光面积的工艺，如显示器制造、太阳能电池制造等。
②限制条件：对于掩模版和晶圆之间的距离要求较为严格，需要控制好光线的散射和衍射效应，以及提高光源的均匀性。
由于不同的模式具有不同的适用场景和限制条件，因此，需要根据具体工艺需求和设备条件来选择合适的工作模式。
接触式/接近式曝光使用的设备为接触式/接近式曝光机。其组成部分如下。
（1）光源模块：它是曝光机的核心部分，提供所需的光照以转移掩模版上的图案到晶圆上。常见的光源为汞灯（I线、G线）。
（2）掩模盘（mask stage）：用于固定和精确控制掩模版的位置。在接触式/接近式曝光过程中，掩模盘需要能精确移动掩模版，以正确对准晶圆。
（3）晶圆台（wafer stage）：用于固定晶圆，并能精确控制其位置和角度。在曝光过程中，晶圆台能够在 X-Y 平面内移动晶圆以实现步进扫描曝光，调整 Z 轴的控制晶圆与掩模版的间距。
（4）照明系统（illumination system）：负责将光源发出的光均匀分布到掩模版上。这通常涉及各种光学元件，如透镜、反射镜和光阑，确保光线均匀并适当照射到掩模版上。
图2-18 型号为MA6/MB6的接触式/接近式曝光机
（5）对准系统（alignment system）：确保掩模版和晶圆之间正确对齐，这对于保证图案转移的准确性至关重要。这些系统通常使用光学或激光传感技术来检测掩模版和晶圆的相对位置，并进行微调。
以型号为MA6/MB6的接触式/接近式曝光机为例，其设备照片如图2-18所示。
要确保接触式、接近式曝光机能够稳定有效地运行，除了超净室必备的洁净度、温湿度、黄光、电力供应外，还需要配套以下厂务动力条件。
（1）高纯N 2 供应系统：用于提供干燥、洁净的N 2 （用于冷却汞灯），以保证光刻过程中光强稳定。
（2）纯水供应系统：提供去离子水或超纯水，用于光刻机的冷却。
（3）稳压供电系统：确保接触式/接近式曝光机的电源供应稳定，避免电压波动对设备操作造成影响。
（4）精密控温系统：确保设备运行环境的温度精确控制，在光刻过程中保持恒定温度，避免因温度波动引起的影响。
（5）不间断电源系统（uninterruptible power supply，UPS）：在主电源出现问题时，能够提供临时电力，保证设备不受影响，维持生产操作。
（6）震动隔离系统：减少外界及其他设备运行产生的震动对光刻机的影响，保证曝光精度。
（7）排气系统：有效排除曝光过程中产生的有害气体和热量，维护设备操作环境的安全与舒适。
图2-19为接触式/接近式曝光机所需的厂务动力条件实物举例。
图2-19 接触式/接近式曝光机所需的厂务动力条件实物举例
（a）真空泵；（b）CDA和N 2 阀门面板；（c）排气通风管道。
使用接触式/接近式曝光机进行实验时，必须遵守严格的操作规范，以确保安全性，以下是一些常见的操作规范。
（1）仔细阅读和理解设备的操作手册和安全指南，并遵循其中提供的操作步骤和注意事项。
（2）接受相关培训，并熟悉机器的正常操作流程。
（3）在操作之前，确保所有的安全装置和保护设备正常工作。检查防护罩、紧急停止按钮等设备是否完好。
（4）在进行任何操作之前，穿戴PPE，包括安全眼镜、手套、防护服等，以防止可能的伤害或污染。测试光强时必须佩戴防紫外护目镜防止强光伤害。
（5）在操作接触式/接近式曝光机时，避免在机器运行期间触摸任何活动部件，特别是光源、传送装置等。
（6）在操作过程中，严禁将任何物品投放到曝光区域中，以免损坏设备或引发意外伤害。
（7）当系统存在故障时，及时停止操作，通知维修人员检查并修复设备。不得私自修理或调整设备，以防发生安全事故。
（8）定期检查设备的状态和维护要求。确保设备处于良好工作状态，消除潜在的安全隐患。
（9）在实验过程中，注意实验环境的整洁和干净。清理和处理任何可能导致污染或危险的废料和材料。
（10）当实验结束时，及时关闭设备并清理工作区域，按照正确的方法处理废弃物和材料。
（11）禁止随意更改任何仪表和软件上的默认设置。
（12）禁止作业尺寸与样品台规格不匹配的样品。
（13）禁止将背面沾污或将不清洁的样品放上样品台。
（14）禁止在设备使用过程中，使用丙酮（C 3 H 6 O）和异丙醇（Cu 3 H 8 O）擦拭样品台。
（15）使用完毕后及时取下掩模版，防止掩模版掉落。
（16）汞灯关闭后禁止立即再次开启，最少间隔10 min以等待汞灯冷却。
（17）汞灯关闭后，禁止立即关闭N 2 ，待排风口温度冷却至50℃以下方可关闭。
读者可扫描图2-18旁的二维码观看具体的操作流程视频。
国际上，接触式/接近式光刻机的制造主要被国外企业垄断，供应商有EVG、苏斯微技术、牛尾（USHIO，日本）、迈达斯（MIDAS，韩国）、恩科优（Neutronix-Quintel，NXQ，美国）和OAI（Optical Associates Inc，美国）等，中国市场仅有ABM（Advanced Bonding Machines，中国香港）、上海微电子、中国科学院光电所、中国电科45所、无锡光刻电子、华为海思、苏州美图等。
无掩模激光直写（maskless laser lithography）是一种光刻技术，其采用激光直接曝光目标材料，而无须使用传统的掩模版。在无掩模激光直写中，激光器以高能量聚焦的激光光束照射目标材料的表面。通过控制激光的位置和强度，可以在材料表面上直接形成所需的结构和图案。这种直接写入的方式具有很高的灵活性，可以实现高分辨率和复杂的图案，其工作原理如图2-20所示。
图2-20 无掩模激光直写的示意图
无掩模激光直写将设计好的图案（通常为gds、bmp等文件格式）转化为机器可编程的文件。在这种技术中，利用数字微镜器件（digital micromirror device，DMD）对光束进行调制，形成与设计图案相对应的图案，通过投影透镜将图案投射到衬底上完成曝光（图2-21及2-22）。
图2-21 无掩模激光直写的工作示意图
无掩模激光直写的工作流程大致如下。
（1）设计阶段：根据需要，使用计算机辅助设计软件（如CAD软件）绘制目标图案，并将其保存为gds文件格式。
图2-22 DMD阵列工作原理示意图
（来源：CSDN）
（2）数据准备：将gds文件导入无掩模激光直写机器，机器的软件会进行数据处理和转换，将图案分解为机器可编程的文件。
（3）光学系统：采用DMD对光束进行调制，DMD由许多微小的可转动反射镜组成，可以根据编程文件中的指令，调整镜面的取向和角度。这样，激光束被反射成机器内指定的图案。
（4）投影透镜：通过投影透镜，激光束经过光学聚焦后，被投射到衬底上，形成相应的图案。
（5）曝光和加工：激光束的曝光和扫描将目标图案逐步绘制在衬底上。衬底上的材料可能是聚合物、氧化物、金属等，可根据不同的应用需求进行选择。
无掩模激光直写作为一种先进的光刻技术，具有以下特点。
（1）高灵活性：无掩模激光直写可以直接将设计图案转化为机器可编程的文件，并通过DMD对光束进行调制形成对应的图案。这种方式可以灵活地制备各种复杂的微纳结构和图案，而无须制备传统的掩模版，大幅缩短了制备周期。
（2）高分辨率：无掩模激光直写技术利用激光的高能量聚焦性，可以实现很高的分辨率。通过控制光束的位置和强度，可以绘制出细微的结构和高分辨率的图案，满足微纳加工中对精度和细节的要求。
（3）增强设计自由度：传统光刻技术需要使用掩模版，而无掩模激光直写可以直接将设计图案转化为机器的文件进行曝光。这种方式不受掩模版限制，使得设计自由度更高，可以灵活地调整和修改图案，加快了创新和设计迭代的速度。
（4）快速加工速度：由于无掩模直接写入的方式，无须涉及掩模制备等传统工艺步骤，从设计到成品的制作速度相对较快。这种方式对于快速原型制作、小批量生产以及个性化制造具有优势。
（5）适用范围广：无掩模激光直写技术在微纳加工、光子学器件、生物芯片、柔性电子等领域具有广泛应用前景。它可以制备微型光学元件、微流体芯片、微机电系统（MEMS）、纳米材料、生物传感器等多种微纳米结构。
然而，无掩模激光直写技术也面临一些挑战。
（1）加工速度相对较慢：与传统光刻技术相比，无掩模激光直写的加工速度通常较慢。由于直接写入的方式，一次只能处理很小的区域，因此在制备整个样品时需要进行多次曝光和扫描，加工时间较长。
（2）对材料的选择有限：无掩模激光直写技术对材料的选择有一定的限制。高能量的激光照射可能对一些材料产生热效应，导致材料熔化、蒸发或结构损坏。因此，在选择适当的材料时需要考虑其光学性能和耐热性等因素。
（3）表面平坦度要求较高：由于直接写入的方式，无掩模激光直写对衬底表面的平坦度要求较高。如果衬底表面不均匀或不平整，可能会导致光束的聚焦和图案的成像受到影响，影响加工质量和精度。
（4）曝光光斑的形状和大小受限：无掩模激光直写技术中使用的激光器通常具有固定的光斑形状和大小。这种限制可能会对图案的形状和尺寸造成限制，并且难以实现细微的特征和结构。
（5）设备成本相对较高：无掩模激光直写技术的设备成本相对较高，使得技术的普及和商业化应用有一定的挑战。设备的复杂性、高精度要求和先进的光学系统等方面均增加了成本。
尽管存在这些缺点和挑战，无掩模激光直写技术仍在不断优化和发展中。随着技术的进步和创新，相信这种技术将逐渐克服这些限制，并在微纳加工领域发挥更大的作用。
无掩模激光直写技术具有很高的分辨率，能够实现微小特征和细节的制造。无掩模激光直写技术的分辨率取决于多种因素，包括激光束的特性、光学系统的性能以及被加工材料的特性。一般来说，无掩模激光直写技术可以实现很高的分辨率，通常可以达到以下级别。
（1）亚微米级别：在一些先进的无掩模激光直写系统中，例如采用高能紫外光源（例如波长为193 nm或更低）和高性能光学系统，可以实现亚微米级别的分辨率。这允许制造出具有细小特征和高精度要求的微纳结构。
（2）微米级别：一般的无掩模激光直写技术通常可以达到微米级别的分辨率。这对于许多微纳加工应用来说已经足够，可以制造出各种微型光学元件、微流体芯片、MEMS器件等。
需要注意的是，分辨率也受到加工材料的影响。一些材料可能具有较高的吸收率、散射率或热扩散性，这可能会对分辨率产生一定的限制。
在无掩模激光直写技术中，除了分辨率的提高，对准精度也对最终制造的结构和设备的性能至关重要。因此，在实际应用中，除了分辨率，还需要综合考虑对准精度、材料选择等因素，以满足具体应用的要求。无掩模激光直写技术的对准主要涉及设计图案与实际曝光目标的准确对位。对准的精度直接影响所制备的结构的位置精度和形状准确性。
按功能划分，对准通常包括衬底对准和层间对准两个方面。
（1）衬底对准：是指将衬底的位置与激光直写系统的坐标系进行精确对位，以确保所绘制的图案在目标材料上的位置准确。衬底对准通常包括以下步骤。
①预先定义或标定激光直写系统的坐标系。
②将目标材料（衬底）放置到激光直写系统的工作平台上。
③使用适当的对准方法（如显微镜观察、图像识别等）来调整工作平台，使激光投射的位置与目标材料表面上的位置对齐。
（2）层间对准：是指不同层之间的对位，以保证多层结构的位置精度和对齐要求。在多层结构的制备过程中，每一层的图案都需要与前一层的图案进行对准。层间对准通常包括以下步骤。
①制备底层结构，并进行衬底对准以确保底层的位置准确。
②在底层的基础之上制备上层结构，使用适当的对准方法（如参考点对准、栅格标记对准等）来调整上层结构的位置，以实现与底层图案的对齐。
层间对准的准确性对于多层结构的制备至关重要。通过精确对准不同层之间的图案，可以确保多层结构中各个层次的位置精确性和相互对应。
无论是衬底对准还是层间对准，准确性和稳定性都对最终产品的质量和性能产生重要影响。因此，在实际操作中，需要选择合适的对准方法和系统，结合精确的测量和调整技术，以确保对准的准确性和稳定性。
按对准手段划分，无掩模激光直写的对准方式如下。
（1）视觉对准：通过在激光直写系统中使用显微镜或图像识别系统，实时观察激光束与材料表面的对准情况。操作员可以根据直观的视觉信息进行微调对准，使光斑与目标位置对齐。
（2）辅助对准标记：在目标材料上添加一些辅助对准标记，例如栅格标记或一维/二维码标记。激光直写系统可以使用合适的方法来识别和对准这些标记，以校正激光投射位置，实现精确对准。
（3）参考点对准：在材料或衬底上预先放置一些准确已知位置的参考点。激光直写系统可以通过测量这些参考点的位置和偏移量，来进行对准调整，以确保所绘制图案的准确位置。
（4） X 、 Y 、 Z 轴调整：激光直写系统的工作平台通常具有3个轴向的运动调整功能，即 X 、 Y 、 Z 轴调整。通过微调这些轴向，可以实现目标位置的精确对准。
以海德堡仪器（Heidelberg Instruments，德国）制造的型号为MLA 150的无掩模激光直写光刻机为例，其分辨率及双面对准精度如表2-2所示。
表2-2 型号为MLA150的无掩模激光直写光刻机的硬件能力
该技术使用的设备为无掩模激光直写光刻机，包含如下部件。
（1）激光源：激光源是系统的心脏，提供必要的光能以实现精准地图案绘制。
（2）光学系统：包括多组透镜、光束整形器、聚焦透镜和反射镜，用于引导、聚焦和校正激光束到达衬底的特定位置。系统的设计确保光束高精度对准和均匀分布。
（3）扫描系统：该系统包括DMD与 X-Y 运动平台。DMD沿 Y 轴方向以一定的频率进行高速滚动扫描， X-Y 运动平台配合DMD沿 X 轴方向进行快速拼接，绘图区域激光反射至光学系统，无图案区域激光反射至吸收体，高速且精确地完成直写任务。
（4）衬底定位台：定位台支撑衬底，并允许精确控制其位置以确保图案正确复制。定位台通常可以进行精细调整，以补偿任何存在的机械或热引起的误差。
（5）控制系统：系统中包含先进的电脑控制单元，用来协调激光源、光学系统和扫描系统的活动，以及管理图案的数据
图2-23 型号为MLA150的无掩模激光直写光刻机
输入和加工。控制系统通常配有用户友好的界面，使操作者能够方便地输入图案数据和控制光刻过程。
（6）监测与校正系统：一些高端的无掩模激光直写光刻机包括自动监测功能，可以实时监控和调整光束的质量、位置和其他关键参数，确保图案的精确性和重复性。
（7）环境控制单元：考虑到激光和光学元件对环境条件敏感，无掩模激光直写光刻机通常配备有温湿度控制单元和洁净室设置，以防尘埃和温度波动干扰光刻过程。
以型号为MLA 150的无掩模激光直写光刻机为例，其设备照片如图2-23所示，其内部结构如图2-24所示。
图2-24 型号为MLA150的无掩模激光直写光刻机的内部结构图
要确保无掩模激光直写光刻机能够稳定有效地运行，除了超净室必备的洁净度、温湿度、黄光、电力供应外，还需要配套以下厂务动力条件。
（1）精确温控系统：除了基本的温度控制，光刻过程中微小的温度波动都可能导致图案变形，因此，对温度的控制需要比常规要求更为精确。
（2）震动控制/隔离系统：无掩模激光直写对环境的震动非常敏感，需要高效的震动隔离系统来确保设备运行的稳定性，对地基和设备的震动控制标准要求都比较高。
（3）高纯度气体供应系统：无掩模激光直写光刻过程可能需要使用到特定的气体，如惰性气体来保护激光器不受污染，或者在光刻过程中用于特殊处理。因此，连续不断的高纯度气体供应是必需的。
（4）电力稳定供应和紧急备用系统：精确和连续的电力供应对无掩模激光直写光刻非常关键，任何电力波动都可能影响曝光质量。因此，除了稳定的电力供应外，紧急备用电源（如UPS）在突发断电时能立即上线，保证光刻过程不受影响。
（5）光学元件的清洁和维护设施：无掩模激光直写设备包含多个精密的光学元件，这些元件需要定期地清洁和维护以保证光路的清晰和稳定。
无掩模激光直写光刻机所需的厂务动力条件实物举例如图2-25所示。
图2-25 无掩模激光直写光刻机所需的厂务动力条件实物举例
（a）冷水机；（b）CDA；（c）UPS。
使用掩模激光直写光刻机进行实验时，必须遵守严格的操作规范，以确保安全性，以下是一些常见的操作规范。
（1）阅读操作手册和安全指南：仔细阅读和理解设备的操作手册和安全指南，并遵循其中的操作步骤和注意事项。
（2）接受培训：接受相关培训，熟悉机器的正常操作流程和安全措施。
（3）穿戴PPE：在操作前，穿戴PPE，包括安全眼镜、手套、防护服等，以保护人员的安全。
（4）检查设备状态：在操作之前，确保所有的安全装置和保护设备正常工作。检查防护罩、紧急停止按钮、安全门等设备是否完好。
（5）注意操作安全：在操作过程中，遵守相关的操作规范和程序。避免在机器运行期间触摸任何活动部件，尤其是激光器的输出口等。
（6）定期维护：定期检查设备的状态和维护要求。确保设备处于良好工作状态，消除潜在的安全隐患。
（7）紧急情况处理：熟悉紧急情况处理程序，如急停操作和紧急撤离计划。
（8）定期检查激光安全：确保激光器的安全性能符合相关的安全标准，进行定期的校准和维护。
（9）实验环境管理：实验过程中，保持实验环境的整洁和干净。避免将杂物、可燃物等带入实验区域，及时处理废料和材料。
（10）结束操作：在实验结束时，及时关闭设备并清理工作区域，按照正确的方法处理废弃物和材料。
（11）禁止使用不规则基片：不规则基片容易导致设备寻边异常。
（12）版图大小必须小于基片尺寸：版图大小大于基片尺寸时，容易导致设备超出基片区域，引发安全问题。
（13）实验前必须清洁样品：背面沾污或不清洁的样品容易污染样品台。
（14）禁止在有人员未离开保护窗（flowbox）内部区域的情况下关闭保护窗：防止人员夹伤。
（15）禁止长时间保持保护窗开放状态：长时间保持保护窗在开放状态，会导致保护窗内温度波动过大而报警。
读者可扫描图2-23旁的二维码观看具体的操作流程视频。
国际上，用于无掩模激光直写晶圆或样品的设备供应商有海德堡仪器、4PICO litho（荷兰，后被德国的Raith收购）及麦瑞卡（Mycronic，瑞典）等。
其中，海德堡仪器专门从事高分辨率激光直写系统的开发和制造。产品线包括MLA、ULTRA及DWL系列，专为无掩模直写光刻设计，适用于研究和开发、原型制作及低容量生产。MLA系列设备可生成高分辨率的图案，特别适用于快速的图案化过程；ULTRA系列能够实现纳米级别的分辨率，用于更高要求的光刻应用；DWL系列特别适用于大面积、高分辨率的图案制作。而4PICOlitho专注于开发高精度的无掩模直写光刻设备。产品线主要为PicoMaster系列。
在中国市场，激光直写曝光机的主要企业包括芯碁微装、江苏影速集成电路装备和苏大维格等。
芯碁微装专注于微纳直写光刻技术，研发和生产直接成像设备及直写光刻设备，产品涵盖PCB直接成像设备及自动线系统、泛半导体直写光刻设备及自动线系统和其他激光直接成像设备。
江苏影速集成电路装备致力于研发、制造和销售应用于半导体、PCB及显示面板等领域的光刻设备。该公司是中国专业的集成电路核心装备的供应商，也是唯一能够制造半导体纳米级制版光刻设备的企业。
苏大维格专注于微纳结构产品的设计、开发与制造，以及相关制造设备的研制和技术研发服务。其产品应用于微纳光学（如包装防伪、交通反光膜、液晶显示导光板）和微电路［如薄膜晶体管（thin-film transistor，TFT）触控、小型发光二极管（mini LED）显示］制造领域。
电子束曝光（e-beam lithography，EBL）是一种高分辨率的微纳加工技术，通常用于制造半导体器件、光子学器件、纳米材料等领域。它利用高速电子束的聚焦和控制，直接在目标材料上进行绘制和曝光。EBL的工作原理如下。
（1）电子源：EBL系统通过电子源产生高速的电子束。常用的电子源包括热阴极电子枪（electron gun）、场致发射电子枪等。
（2）恒定加速：电子束在电子源后经过恒定的加速电压，在加速过程中获得较高的能量。
（3）聚焦系统：通过磁场或电场聚焦系统对电子束进行聚焦，使其变得非常细小和集中。这种聚焦系统常采用电磁透镜，通过调节导线中的电流或电势来控制电子束的聚焦效果。
（4）控制和扫描：通过电子束控制系统，控制聚焦的电子束照射到目标材料上。通常采用电子束扫描的方式，即通过电磁偏转系统控制电子束在水平和垂直方向上进行快速扫描。
（5）曝光和绘制：在目标材料上，通过控制电子束的强度和位置，精确地绘制和曝光。电子束的位置和强度控制通常通过电子束控制系统和计算机进行，根据预先设计的图案进行控制和调节。
EBL的优点如下。
（1）高分辨率：EBL能够实现非常高的分辨率，能够制造出微小特征和细节。通常可以达到亚纳米级别的分辨率，满足对高精度器件和高密度集成电路的需求。
（2）高灵活性：EBL可以根据需要制作各种复杂的图案和结构，具有非常高的灵活性。由于可以直接使用电子束写入，无须使用光刻掩模版，因此可以快速调整和修改图案。
（3）模式切换简单：相对于传统光刻技术，EBL仅需更改电子束的控制和曝光参数，以切换不同的模式。这种灵活性和简易性使得EBL在研发和快速原型制作中具有优势。
（4）EBL可应用于样品曝光及掩模版曝光。
①样品曝光：EBL可以直接将电子束控制到样品上进行曝光。通过控制电子束的位置和强度，可以在样品表面制造出所需的图案和结构。这种样品曝光常见于微纳加工、器件制造、纳米结构构筑等领域。例如，用于纳米线、纳米点阵或微通道的制造。
②掩模版曝光：EBL还可以用于制作掩模版。掩模版是一种具有特定图案的透明或半透明材料，它定义了所需图案的形状和位置。通过EBL，将电子束照射到掩模版上，可以形成所需的图案。掩模版曝光常用于半导体制造、集成电路制造等领域，用于制备微型或纳米级别的器件结构。
EBL具备强大的优势，同时也存在一系列的挑战。
（1）生产效率低：由于EBL是逐个击打的方法，一次只能处理很小的区域，因此生产速度较慢，不适用于大规模生产需求。
（2）设备成本高：相对于传统光刻设备，EBL设备的成本较高。它具有复杂的光学、电子束控制和操控系统，需要高性能的电子束源等。这使得EBL在商业化和大规模生产的应用上存在一定的限制。
（3）材料选择受限：EBL对材料的选择有一定限制。一些材料可能不适合承受电子束的高能量，容易受到热效应的影响，导致材料的熔化、蒸发或结构损坏。
（4）对准要求高：由于高分辨率的特性，EBL对对准的要求非常高。图案的准确定位和层间对准都是至关重要的，而且对准过程需要非常精密和稳定的系统及控制。
EBL的分辨率取决于电子束的能量、电子光学系统的性能以及对图案绘制的控制精度。通常情况下，EBL可以实现亚纳米级别的分辨率，甚至更小。这使得EBL适用于制造具有极细微结构和高分辨率要求的器件。
EBL对准的精度是影响制造图案位置及形状准确性的关键参数之一。对准精度涉及多个方面，包括样品对准、层间对准和曝光时间等的控制。EBL通常采用高精度的样品对准系统和层间对准系统，以确保不同层次的图案位置和对齐误差在允许范围内。
此外，电子束曝光机的关键参数还有最大加速电压、最小束斑直径、电流大小、拼接精度、写场尺寸等。以型号为ELS-F125的电子束曝光机为例，其相关技术指标如表2-3所示。
表2-3 型号为ELSF125的电子束曝光机的技术指标
EBL可以在计算机的控制下直接产生所要求的图案。由于电子束偏转场（即写场）很小，所以EBL图案是由写场拼接而成的。
当曝光图案仅分布在一个写场中时，不需要移动样品台，只通过电磁透镜改变电子束的偏转就可以完成图案的曝光；当图案尺寸超过设定写场的尺寸后，电子束扫描完一个写场，工作台将按指令依次移动至下一个写场，完成全部图案的曝光，这样就存在了写场拼接的问题。因此，曝光图案应尽量放在同一写场内，对于尺寸大于设定写场的图案，要避免图案的关键部位处于写场边界。通常，写场越大，拼接精度越低、噪声越大、写场内束流均匀性越低，但工作台移动次数较少、拼接次数少、曝光效率高，具体如表2-4所示。
表2-4 EBL的图案拼接精度及噪声等参数对比
减小图案拼接造成的误差，可使用以下两种方法：①在执行曝光任务（job）前，进行写场校正，从而修正电子束在一个写场的9个点位的偏转，补偿工作台的移动误差；②利用Beamer软件的“Fracture”模块功能，将图案的关键区域置于写场中心，从而避免关键区域出现写场拼接问题。
由于高能量的电子波长要比光波长短成百上千倍，因此限制分辨率的不是电子的衍射，而是各种电子像散和电子在光刻胶中的散射。射入光刻胶的电子束通常具有较高动能，电子在运动过程中不断被散射，特别是在光刻胶与衬底界面存在较强背散射效应，导致邻近区域较大范围被曝光［图2-26（a）］。
电子散射会使图案边缘内侧的电子能量和剂量降低，产生内邻近效应；同时散射的电子会使图案边缘外侧的光刻胶感光，产生外邻近效应。邻近效应的产生导致曝光图案发生畸变、对比度降低、分辨率下降等问题。通常情况下，加速电压的大小、衬底材料的种类、衬底的厚度是影响邻近效应的主要因素。其中，加速电压越大，邻近效应越小［图2-26（b）］。如何克服邻近效应对电子束光刻分辨率的影响，是研究电子束技术发展的重要课题。
图2-26 EBL的邻近效应
（a）电子束的散射效应；（b）不同加速电压的电子束对邻近效应的影响。
EBL是一种复杂的工艺，其使用的电子束光刻胶与传统的光学光刻胶有明显的差异。在EBL中，常用的光刻胶包括ZEP520A、聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）和AR P 6200等。这些光刻胶的标准光刻工艺步骤如下。
（1）ZEP520A电子束光刻胶的标准光刻工艺
①清洗：将衬底用有机溶剂如丙酮清洗，去除表面的污染物。
②旋涂：将ZEP520A溶解于合适的溶剂中，旋涂在衬底上，形成均匀的薄膜。涂布速度通常为4 000～6 000转每分［rpm，1 rpm＝1 r/min＝（1/60）s -1 ］，旋涂时间为60 s。
③软烘：将旋涂后的样品放在烘箱中，在约180℃的温度下烘烤3～5 min，使光刻胶变得更加稳定。
④曝光：使用电子束曝光机对烘焙后的样品进行曝光，通过电子束在光刻胶上形成所需的图案。曝光时间和电流可以根据具体的设备和需要来调整。
⑤PEB：曝光后，将样品放在烘箱中，在约180℃的温度下烘烤3～5 min，固定曝光后的图案。
⑥显影：使用合适的显影剂对曝光后的样品进行显影，去除未曝光的光刻胶。显影时间根据具体的显影剂来调整。
⑦清洗：用去离子水对样品进行清洗，去除显影剂和残留的光刻胶。
⑧干燥：将样品用N 2 吹干或放在烘箱中干燥。
（2）PMMA电子束光刻胶的标准光刻工艺
①清洗：将衬底用有机溶剂如丙酮清洗，去除表面的污染物。
②旋涂：将PMMA溶解于合适的溶剂中，旋涂在衬底上，形成均匀的薄膜。涂布速度通常为3 000～5 000 rpm，旋涂时间为60 s。
③软烘：将旋涂后的样品放在烘箱中，在约180℃的温度下烘烤5 min，使光刻胶变得更加稳定。
④曝光：使用电子束曝光机对烘焙后的样品进行曝光，通过电子束在光刻胶上形成所需的图案。曝光时间和电流可以根据具体的设备和需要来调整。
⑤PEB：曝光后，将样品放在烘箱中，在约180℃的温度下烘烤10 min，固定曝光后的图案。
⑥显影：使用合适的显影剂对曝光后的样品进行显影，去除未曝光的光刻胶。显影时间根据具体的显影剂来调整。
⑦清洗：用去离子水对样品进行清洗，去除显影剂和残留的光刻胶。
⑧干燥：将样品用N 2 吹干或放在烘箱中干燥。
（3）AR-P 6200电子束光刻胶的标准光刻工艺
①清洗：将衬底用有机溶剂如丙酮清洗，去除表面的污染物。
②旋涂：将AR-P 6200溶解于合适的溶剂中，旋涂在衬底上，形成均匀的薄膜。涂布速度通常为3 000～5 000 rpm，旋涂时间为60 s。
③软烘：将旋涂后的样品放在烘箱中，在约90℃的温度下烘烤2 min，使光刻胶变得更加稳定。
④曝光：使用电子束曝光机对烘焙后的样品进行曝光，通过电子束在光刻胶上形成所需的图案。曝光时间和电流可以根据具体的设备和需要来调整。
⑤PEB：曝光后，将样品放在烘箱中，在约110℃的温度下烘烤5 min，固定曝光后的图案。
⑥显影：使用合适的显影剂对曝光后的样品进行显影，去除未曝光的光刻胶。显影时间根据具体的显影剂来调整。
⑦清洗：用去离子水对样品进行清洗，去除显影剂和残留的光刻胶。
⑧干燥：将样品用N 2 吹干或放在烘箱中干燥。
EBL系统通常由多个基本部件和其他辅助系统构成，以实现高精度的EBL过程。以下是EBL系统的一些基本部件和辅助系统。
（1）电子枪：电子枪是EBL系统的核心部件之一，通过热发射或场致发射产生高速的电子束。电子枪通常由阴极、阳极、提取极等组成，通过加速电压将电子束加速到高速。
（2）电子光学柱（electron optical column）：用于控制和聚焦电子束，使其达到所需的分辨率和精度。光学柱通常包括聚焦透镜、扫描线圈、偏转线圈等，通过调节电子束的轨道和聚焦效果，实现准确的电子束控制。
（3）工作台（stage或substrate holder）：放置样品或衬底的平台，用于支持和定位待曝光的目标材料。工作台通常具有精确控制样品位置和运动的能力，以便实现所需图案的准确投射。
（4）真空系统（vacuum system）：由于EBL需要在真空环境中进行，EBL系统通常配备真空系统，以提供合适的操作环境。真空系统包括真空室、抽气系统、气体供给和控制等设备。
以伊领科思（Elionix，日本）制造的型号为ELS-F125的电子束曝光机为例，实物图与曝光系统的内部结构示意图如图2-27所示。
图2-27 型号为ELSF125的电子束曝光机
（a）设备实物图；（b）光学系统内部结构示意图。
除了上述基本部件外，EBL系统还可能包括电子束控制系统、数据处理和图案生成系统、曝光控制和监控系统等。这些辅助系统用于控制和调节电子束的强度、位置以及曝光参数，从而实现所需的图案制备。
电子束曝光机由于高精度和对环境要求极其严苛的特性，除了超净室内所需的基本条件外，其稳定有效运行还需要额外的支持系统，所需系统如下。
（1）高精度温度控制系统：EBL对环境温度极为敏感，需要精确的温度控制系统以保持设备周围环境温度的稳定，波动范围通常控制在±0.1℃以内。
（2）震动隔离系统：减少地面和周围环境震动对设备的影响，需要精密的震动隔离系统来保证设备稳定，包括隔震台、气浮系统等。
（3）高稳定性电力供应系统：电子束曝光机对电源的稳定性要求极高，需要UPS和电源纯化系统来保持电源稳定无波动。
（4）高纯度气体供应系统：供应高纯度气体（如Ar、N 2 ），用于设备操作和样品处理中，防止样品受到污染。
（5）冷却水系统：电子束曝光机在运行中会产生大量热量，需要高效的冷却水系统保持设备在适宜温度运行。
（6）精密控湿系统：除了温度，湿度的波动也会影响曝光过程，需要稳定的控湿系统。
（7）静电控制系统：由于操作中会产生静电，可能影响曝光质量，需要配备静电消除设备。
（8）精确的空气流动控制：在超净室内，需要精密控制空气流动，确保洁净空气有效流动至重要设备周围，同时带走热量和污染物。
图2-28为电子束曝光机所需的厂务动力条件实物举例。
图2-28 电子束曝光机所需的厂务动力条件实物举例
（a）独立房间；（b）独立空调系统控制面板；（c）冷水机；（d）主动隔震台控制器；（e）CDA和N 2 阀门面板；（f）UPS。
电子束曝光机作为超高精度的光刻系统，要求操作者熟悉设备原理、严格遵守操作规范，并且在恰当的温度、湿度、真空和辐射屏蔽条件下，它才能够实现精准的曝光，制造出高精度的微纳器件。具体的操作注意事项如下。
（1）温度、湿度、空气流动和震动等对电子束的稳定性有一定影响。这些因素可能引入热效应、电荷积累和机械震动，影响电子束的传输和聚焦，从而影响曝光精度。所以需要严格控制环境温湿度并加配隔震台。所有进入实验室的人员应时刻留意是否有气体和冷却水泄漏，以及温度和湿度是否正常。
（2）操作者需要每日对设备的真空度、电子枪参数等进行点检。
（3）需定期对设备进行调试和校准，确保仪器的准确性和稳定性。
（4）确保样品符合曝光机的要求，包括尺寸、形状和表面平整度，以确保获得准确的曝光效果。
（5）电子枪需要高真空状态，在主腔体（main chamber）真空度达到1×10 -5 Pa以下才可以打开电子枪与主腔体之间的隔离阀（isolation valve）进行曝光操作。
（6）曝光运行过程中，所有人禁止进入EBL设备房间内，以免影响电子束稳定性。
读者可通过扫描图2-27旁的二维码观看具体的操作流程视频。
国际上代表性的用于晶圆电子束直写的厂商包括Mapper（荷兰，已被阿斯麦收购）、Raith、日本电子（JEOL，日本）、伊领科思、克瑞斯特科技（Crest Technologies，日本）、NBL（英国）及爱德万测试等。其中，日本电子制造的JBX-9500FS和JBX-A9系列、伊领科思制造的ELS-BODENΣ、爱德万测试制造的F7000以及Mapper制造的FLX 1200均可用于先进的12in晶圆生产。值得一提的是，日本电子制造的A9系列最新型号可以在300 mm晶圆上直写出最细线宽≤8 nm的结构（源自JBX产品介绍）。Mapper原本在多束EBL设备研发方面处于领先地位，但由于EUV技术的快速发展，Mapper的晶圆级EBL设备逐渐失去了优势。
中国电子束直写设备市场的情况则有所不同，在《瓦森纳协定》之前，中国主要依赖进口设备，这基本能够满足市场需求。然而，此后高端EBL设备禁运，中国市场面临空白，国产化需求迫在眉睫。尽管一些科研单位已经开始研发EBL整机设备，并且在相关工艺和关键零部件上有所突破，但整体依然处于起步或进行阶段。国产高端EBL设备在技术上尚未实现重大突破 ［9］ 。
扫描式光刻（scanning lithography）和步进式光刻（step-and-repeat lithography）都是半导体制造中用于图案转移的关键工艺，但它们采用的技术和操作方式有所不同，各有其特点和适用场景。
扫描式光刻通过同步移动掩模版和晶圆，在照射过程中连续地曝光整个芯片。光源聚焦后，再透过一个狭缝（条状窗口），形成长条状光斑，并且同时移动掩模版和晶圆来曝光整个芯片区域。其特点如下。
（1）连续曝光：允许连续平滑的曝光过程，适合大面积图案的转移。
（2）适合大尺寸晶圆：因为可以连续曝光，更适合较大尺寸的晶圆。
（3）分辨率：通常与步进式光刻机相当，但因为曝光是连续进行的，可能会受到更多动态因素的影响。
步进式光刻采用“分步曝光”的方式，即每次只曝光晶圆上的一小块区域（场）。完成一个场的曝光后，机器移动晶圆到下一个位置，然后再次曝光，如此重复直到整个晶圆被完全曝光。其特点如下。
（1）分步曝光：一次只处理一个小区域，适用于高精度的局部图案转移。
（2）高对准精度：每次曝光之前都可重新对准，从而实现高精度的图案叠加。
两者的相同点如下。
（1）都用于在半导体制造中进行光刻过程。
（2）理论上，两者都可以使用相同的光源，如DUV或EUV［在实际生产中，考虑到产能、性价比等，仅有扫描式光刻机（scanner）采用EUV光源］。
（3）曝光模式相同
①量产（production，P）模式：所有曝光块（shot）使用单一剂量和单一焦距进行曝光，用于已知曝光条件的工艺过程。
②剂量（energy，E）变化模式：不同曝光块间使用步进剂量和单一焦距进行曝光，用于探索工艺的最佳曝光剂量。
③焦距（focus，F）变化模式：不同曝光块间使用单一能量和步进焦距进行曝光，用于探索工艺的最佳曝光焦距。
④矩阵（matrix，M）模式：不同曝光块间使用步进能量和步进焦距进行曝光，用于探索工艺的最佳曝光剂量和焦距，常用于新工艺的第一次工艺探索。
两者的不同点在于曝光方式：扫描式持续移动掩模版和晶圆，而步进式光刻机固定掩模版位置只移动晶圆。
由于两者仅在掩模版是否移动方面存在差异性，因此，以下以步进式光刻机为例介绍。
步进式光刻机是步进重复式光刻机的简称，通过投影成像方式把掩模版上图案以高分辨率、高精度、高效率的方式分步重复曝光在涂有胶层的晶圆表面，主要用于各种微纳结构的图案转移（图2-29）。
步进式光刻机的工作主要包含以下几步。
图2-29 步进式光刻机的工作示意图
（1）图案载入：光刻机首先将设计好的掩模版载入设备。掩模版包含了所需转移至晶圆的微纳结构图案。
（2）定位与对准：晶圆被准确放置在光刻机的工件台上，光刻机使用先进的对准技术确保掩模版和晶圆之间的精准对准。
（3）分步曝光：步进光刻机通过控制系统按预定的步骤移动晶圆，而掩模版位置固定不动。光源（通常是紫外光）透过掩模版，使用投影光学系统（包括镜头和其他光学元件）将图案投影到晶圆的光刻胶上。曝光过程中，光刻机会按设定的“步进”移动晶圆，逐个区域进行曝光，直到整个晶圆上的所有所需的图案都被转移完毕。
（4）显影处理：曝光后，晶圆上曝光区域的光刻胶会发生化学反应。对晶圆进行显影处理，可溶于显影液的胶层被去除，留下晶圆上的图案。
步进式光刻机的优点如下。
（1）高精度与高重复性：步进式光刻机可以在不同的晶圆上重复地实现高精度的图案复制。
（2）良好的图案解析度：通过使用先进的光学系统，步进式光刻机能够实现非常小的特征尺寸，支持不断缩小的工艺节点要求。
（3）适用于大面积晶圆：步进光刻技术通过步进重复方式，能够有效地处理大直径的晶圆，这对于提高每片晶圆的芯片产量具有重要意义。
（4）灵活的生产适应性：可以轻松调整步进式光刻机以适应不同的生产设计和需求，使其成为半导体生产中相对灵活的工艺步骤。
（5）适应性强：可以通过更换掩模版，轻松适应不同的图案和设计，使步进式光刻机适用于多种不同的生产线。
步进式光刻机的优点众多，但也存在一定的缺点。
（1）成本高昂：高性能的步进式光刻机设备价格昂贵，需要大量的初始投资，并且维护成本也相当高。
（2）生产速度限制：虽然步进式光刻机可以实现高精度的图案复制，但其步进重复的过程相对较慢，这限制了其在高产量要求时的处理速度。
（3）技术复杂性：操作步进式光刻机需要高度专业化的知识和技能，设备的编程、调整和日常维护需要经过专门培训的技术人员。
（4）对环境敏感：步进式光刻机对环境条件，如温度、湿度和震动等，有非常严格的要求，需要专门的清净室环境以控制这些因素。
（5）局限于平面光刻：由于工作原理的限制，步进式光刻机主要适用于2D平面的光刻工艺，对于一些复杂的3D结构或特定的微纳加工任务可能不是最佳选择。
步进式光刻机提供了一种高精度、高解析度的图案复制能力，是半导体制造行业的重要工具。然而，技术和成本的限制也意味着其应用存在一定的局限性。随着微电子行业的发展，这些设备正持续升级以提高产量、降低成本并满足更严格的制造要求。
步进式光刻机的分辨率主要受光源波长和光学系统的数值孔径（numerical aperture，NA）限制，这可以通过瑞利判据公式进行描述
其中， CD 是最小尺寸， λ 代表使用的光源波长，NA为系统的数值孔径， k 是过程控制因子，通常取值在0.5～0.6之间，为了保证足够的工艺稳定性，一般要求 k 大于0.30，在理论上， k 不可能小于0.25。光源波长越短，NA越大，得到的分辨率就越高。
为了提高分辨率，现代步进式光刻机采用了以下技术。
（1）短波长光源：使用光波长更短的光源，如DUV和EUV光源，以缩小可达到的最小特征尺寸。
（2）相移掩模（phase-shift mask，PSM）和光学邻近效应修正（optical proximity correction，OPC）：通过改进掩模版设计和使用计算方法对掩模版上的图案做修正，间接提高在晶圆上实现的特征细节。
值得注意的是，步进光刻机在提高分辨率的同时，还需要保持良好的曝光均匀性和对准精度，以确保制造出的集成电路性能一致且可靠。
随着集成电路线宽的继续缩小，光刻技术的发展对提高分辨率提出了更高的要求。目前，EUV光刻技术因其使用更短波长的光源，被认为是实现更高分辨率和更小节点工艺的关键技术之一。
步进式光刻机的对准精度是指光刻机在重复曝光过程中将新层图案精确对准到晶圆上已有图案的能力。这一指标对于多层集成电路的制造尤为关键，因为每一层的图案都必须准确对齐以保证器件的功能和性能。
（1）步进式光刻机的对准技术
①光学对准系统：现代步进式光刻机通常配备先进的光学对准系统，包括多通道、多波长的光学检测系统，能够精确检测和对准晶圆上的定位标记。
②激光干涉仪：用于精确测量和控制工件台的位置，确保晶圆在曝光过程中的精确移动。
③自动聚焦系统：保持曝光过程中光掩模版与晶圆的正确焦距，对于维护图案的清晰度和位置精度至关重要。
（2）对准精度的测量：对准精度通常用“overlay error”来描述，这是晶圆上已有图案与新图案之间的偏移量，通常以纳米为单位。现代步进式光刻机的对准精度通常能达到几十纳米（扫描式光刻机可以达几纳米），这对于先进的集成电路制造是必需的。
（3）影响对准精度的因素
①晶圆平整度：晶圆表面的微小起伏可以影响图案的对准精度。
②环境因素：如温度波动、震动等都可能影响光刻机的对准性能。
③设备磨损：设备使用时间的增长，机械部件磨损可能影响对准精度。
步进式光刻机的对准精度是其技术性能的关键指标之一，直接影响到芯片的产量和质量。随着电子设备向更高性能、更小尺寸发展，对光刻技术的对准精度要求也在不断提高。因此，不断优化光刻机的设计和提高对准技术的精确度对于满足未来半导体工业的需求至关重要。
以型号为PAS 5500/350C的步进式光刻机为例，其分辨率、对准精度及相关指标如表2-5所示。其设备结构图如图2-30所示，设备照片如图2-31所示。
表2-5 型号为PAS5500/350C的步进式光刻机的主要参数
由于步进式光刻机为生产型设备，其操作与传统光刻机存在较大差异，因此，本书以阿斯麦制造的步进式光刻机为例，介绍其相关操作。
简单的曝光操作步骤可分为：①放入掩模版→②放入样品→③选择曝光Job→④设定曝光参数（曝光模式、曝光剂量和焦距等）→⑤执行曝光→⑥曝光结束取出样品→⑦取出掩模版。
读者可扫描图2-31旁的二维码观看具体的操作流程视频。
由于步进式光刻机为生产型设备，因此其设备操作非常智能化。在步进式光刻机的操作中，最为复杂的、需要人为参与的部分是Job编写。以下以阿斯麦的设备操作软件为例介绍Job编写的逻辑及编写方法。
图2-30 型号为PAS5500/350C的步进式光刻机的结构示意图
图2-31 型号为PAS5500/350C的步进式光刻机
要想理解Job编写方法，首先需了解设备执行曝光时的基本数据逻辑，具体如图2-32所示。
（1）Image为设置的最基本曝光执行单元，包含掩模版信息和曝光区域在晶圆上的分布信息等。
图2-32 步进式光刻机执行曝光的基本数据逻辑
（2）Layer为设置的曝光层数，可调用任意已设置好的Image。
（3）Job为编辑好的曝光执行文件，可包含多个Layer，但一次曝光只能执行一个Layer。
（4）Batch为曝光执行程序，调用一个Job的一个Layer执行曝光。
依照上述设备曝光的基本逻辑，阿斯麦设备操作软件的Job编写逻辑如图2-33所示。
图2-33 步进式光刻机编写Job的逻辑
基本的编写Job步骤如下。
（1）进入Cell Structure，定义晶圆上的曝光单元。
①在Cell Size的X和Y空格内分别填入预设的曝光单元大小，点击Enter确认。
②输入完毕后，点击步进式光刻机按键，显示晶圆上曝光单元的示意图。
③点击Accept确认并保存。
（2）进入Alignment Definition，定义对准信息（可选）。
①进入Optical and Global Alignment选项，定义使用的Mark信息。
②在Mark ID空格内定义Mark名称，点击Enter确认，在Wafer Coordinates空格内定义Mark坐标，点击Enter确认，点击Apply应用更改。
③点击New键，并重复步骤②设置多个Mark。
④设置完毕所有Mark后，点击Exit退出。
⑤进入Alignment Strategy选项，定义对准方式。
⑥在Alignment Strategy ID空格内定义对准方式的名称。
⑦点击Selection，选取此对准方式需要使用的Mark。
⑧设置完毕后，点击Apply，点击Exit退出。
⑨再次点击0 Exit退出Alignment Definition。
（3）进入Image Definition，定义掩模版上的使用区域。
①在Image ID空格内定义Image名称，点击Enter确认。
②在Default Reticle ID空格内输入需要使用的掩模版的ID，点击Enter确认。
③在Image Size内输入选用的区域大小，在Image Shift内输入区域的中心坐标，点击Apply应用更改。
④点击New键，并重复步骤①～③，设置多个Image。
⑤设置完毕所有Image后，点击Exit退出。
（4）进入Image Distribution，定义曝光图案在晶圆上的分布。
①在Image ID空格内选择需要编辑的Image名称。
②在Cell Index内输入坐标或者直接在右侧晶圆图内鼠标左键单击选择曝光单元。
③在Action内修改所选Image在选择的曝光单元内为是（Apply）/否（Delete）曝光。
④重复步骤①～③，设置多个Image的曝光分布。
⑤设置完毕所有Image后，点击Exit退出。
（5）进入Layer Definition，定义曝光层。
①在Number of Device Layers空格内定义Layer数量。
②在Layer ID内定义每一个Layer的名称。
③点击Apply应用更改。
④设置完毕所有Layer后，点击Exit退出。
（6）进入Marks Exposure，定义需要曝光的0层Mark。
①在Layer内选择0 Marks层。
②选择需要曝光的Mark，并点击Add添加。
③设置完毕后，点击Exit退出。
（7）进入Strategy Selection，定义每一层的对准方式（可选）。
①在Layer空格内选择需要设置对准的层。
②在Active内选择步骤（2）中定义的对准方式。
③点击Apply应用更改。
④设置完毕所有Layer后，点击Exit退出。
（8）进入Process Data，定义预对准（可选）。
①在Layer空格内选择需要设置预对准的层。
②在Optical Prealignment选项内输入Y。
③在Selection内选择左右两个Mark，可用于预对准的Mark位置固定，坐标为（±45，0）。
④点击Apply应用更改。
⑤设置完毕所有Layer后，点击Exit退出。
（9）进入Reticle Data，定义每一层调用的Image。
①在Layer空格内选择需要设置的Layer。
②在Image空格内选择需要设置的Image。
③在Expose Image内选择是否曝光此Image，Y曝光/N不曝光，点击Apply应用更改。
④重复步骤②～③，设置完毕所有的Image。
⑤重复步骤①～④，设置完毕所有的Layer。
⑥确认所有信息已设置完毕后，点击Exit退出。
（10）点击Exit，在弹窗内选择Save保存设置好的Job文件。
步进式光刻机由于其高精度和对环境要求极其严苛的特性，除了超净室内所需的基本条件外，其稳定有效运行还需要额外的支持系统。
（1）高精度温度和湿度控制系统：步进式光刻机对环境温度和湿度极为敏感。需要维持工作环境在非常严格的温湿度范围内，通常温度控制需在±0.1℃以内，湿度控制也需达到相应的精度。这是为了防止因温度或湿度波动引发的光学部件热膨胀或光路变化，从而保障曝光精度。
（2）震动隔离系统：为降低外部震动（如地面震动）对高精度曝光过程的影响，步进式光刻机通常安装在特别设计的震动隔离平台上。这些平台可以有效减少来自环境的微小震动或设备自身运行产生的震动。
（3）高纯度气体供应系统：步进式光刻机在曝光过程中，可能需要使用到高纯度的惰性气体（如N 2 气体），以保护光刻过程避免污染和氧化。
（4）高质量供电系统：由于步进式光刻机包含多个高精度控制单元和光学元件，对电力供应的质量要求非常高。这不仅包括稳定的电源供应，还包括电压、电流的精确控制和清洁（无电磁干扰），以避免设备运行中出现任何波动或干扰。
（5）高效的排气和化学过滤系统：在使用光刻胶和其他化学品的过程中，需要有效的排气系统和化学过滤，以保证操作环境的安全性并符合健康标准。
（6）精密冷却水系统：步进式光刻机在运行过程中产生的热量需要有效控制。使用精密的冷却水系统可以保持设备的稳定运行，特别是光源和高功率运行部件的冷却。
（7）防静电系统：在处理晶圆等敏感材料时，需要控制静电的产生和消散，防止对晶圆造成损害或影响曝光效果。
（8）精确的光学校正和维护系统：由于步进式光刻机依赖于精确的光学系统，需要定期的光学校正和维护，保证曝光精度和重复性。
步进式光刻机的厂务动力配套实物举例如图2-34所示。
在集成电路（前道）领域，光刻机市场基本由阿斯麦、尼康和佳能3家公司包揽。其中，阿斯麦以其设备和技术在市场中占据绝对优势，2023年占全球市场份额的94.2％。尽管在不同报告中略有差异，但普遍认为在90 nm以下的高端光刻机［如ArF、ArFi（浸没式）和EUV光刻机］中，阿斯麦设备占据了95％以上的市场份额，尼康则不到5％。阿斯麦的高数值孔径EUV光刻机因其极致的线宽与套刻精度，可发出13.5 nm波长的EUV光。其镜片平坦度达到原子级，精密工件台的运动过载超过10倍重力加速度，单价超过2.75亿美元。
图2-34 步进式光刻机所需的厂务动力条件实物举例
（a）独立房间及独立风机过滤单元；（b）主机被动隔震台；（c）激光器被动隔震台；（d）冷水机；（e）供电箱；（f）特种气体阀门面板［氪气（Kr）/氖气（Ne）混合气和氦气（He）/N 2 混合气］；（g）阀门面板（真空、CDA、N 2 ）；（h）真空泵。
近年来，阿斯麦在全球市场的光刻机占有情况如下：I线光刻机占23％，KrF光刻机占72％，ArF光刻机占87％，ArFi光刻机占95％，EUV光刻机则垄断市场。2023年，尼康的光刻机营收占全球市场7.65％（约15亿美元），而佳能占据了10％（约20亿美元），主要集中在中低端（I线和DUV光刻机）市场。相比之下，全球其他公司的半导体制造端光刻机市场份额几乎可以忽略不计。
良好的掩模版设计是掩模版制造的关键因素之一。掩模版图案的准确性、分辨率和形状对最终的器件制造质量有直接的影响。需要根据不同的设备、器件的要求、材料特性、曝光工艺等多方面因素进行合理的设计。图2-35是较为通用的掩模版布局设计图，其各个区域的功能如表2-6所示。
需要特别注意的是，不同光刻机型号对应的掩模版布局不同，以型号为PAS 5500A/350C的步进式光刻机的掩模版布局为例，其包括预对准标记（P）、对准标记（MA）、条形码区域（B1）、保护膜位置线（PL）和人类可读编码（HRC）如图2-36所示，各区域在掩模版上的对应位置如表2-7所示。
图2-35 掩模版布局设计
表2-6 掩模版各个区域功能定义
（续表）
图2-36 型号为PAS5500/350C的步进式光刻机的掩模版布局示意图
（单位：mm）
表2-7 型号为PAS5500/350C的步进式光刻机对应掩模版区域坐标
掩模版在光刻工艺中扮演了重要角色，常用于制作微纳器件的图案和结构。由于具有高度可重复性的特点，可以通过大规模、批量制造的方式生产出大量相同的高精度微纳器件。这对于满足工业生产的需求至关重要，能够实现高效的器件制造和大规模集成。制造掩模版的技术有激光直写与EBL，以下分别介绍两种设备的市场情况。
（1）用于制造掩模版的激光直写设备的市场情况
目前，国外用于集成电路掩模版制造的多路激光直写光刻机主要包括迈康尼（Mycronic Laser Systems AB，瑞典）的Sigma系列、应用材料的ALTA系列和KBTEM-OMO（白俄罗斯）的EM系列 ［10］ 。
根据报道，Sigma7700激光直写光刻机能够满足45 nm技术节点中约半数掩模版的制造需求。该系列设备基于空间光调制器（spatial light modulator，SLM）技术，无须掩模版投影曝光，其光源为248 nm波长的准分子激光器。操作时，将掩模版图案加载到能够反射该图案的空间光调制器中，再将图案投影到空白掩模版上。利用短脉冲激光将图案直接刻画在掩模版上，在掩模版移动到新位置后，短脉冲激光再次触发，并将新图案输入到空白掩模版上，从而实现光学曝光。经过市场调研，目前这款设备不再在市场上销售。
ALTA系列采用转镜扫描技术。倍频激光器经分束器形成32束子光束，通过声光调制器并行调制，然后通过多面转镜和物镜在掩模版上实现多光束并行扫描曝光。
EM系列（EM-5589和EM-5489）设备采用电光偏转扫描技术。然而，其即将研发的EM-5489B设备将改用与ALTA系列相同的转镜扫描技术和直写曝光策略，将多路并行扫描方向与工件台运动方向垂直排列，实现矩阵式多点网格化曝光，并通过间隙网格和灰度控制在不增加像素数量的情况下提高图案分辨率。
在中国，激光直写光刻机的主要供应商包括江苏影速和苏大维格等。然而，目前中国在高端集成电路掩模版制造领域严重依赖进口。
（2）用于制造掩模版的电子束光刻机的市场情况
目前，国际上用于集成电路掩模版制造的电子束光刻机主要包括纽富来（NuFlare，日本）的EBM系列和MBM系列、日本电子的JBX系列以及IMS（奥地利）的MBMW系列。其中，MBMW系列是当前主流的EUV掩模版图案发生设备，而EBM系列在DUV掩模版图案发生设备市场中占据了较大份额 ［9］ 。
据报道，EBM系列中的9500PLUS具备7/5 nm掩模版制备能力，其束流密度高达1 200 A·cm -2 ，远超同类产品，大幅提升了曝光效率。EBM系列设备已被广泛应用于各大掩模版供应商，以其精准的半周期（half-pitch，30 nm以下）结构曝光能力满足了复杂图案的高精度快速制备需求。除了极高的控制精度，纽富来在其最新几代变形束设备中逐步引入了热效应、雾化效应、充电效应等电子束与材料相互作用的仿真模型，以补偿相应误差，使其设备的曝光结构精度领先于行业。
随着技术节点向亚10 nm推进，掩模版结构愈加精细，掩模版曝光所需时间也日益增加，单电子束光刻机已无法满足生产商对掩模版生产效率的需求，多电子束光刻机应运而生。IMS的MBMW系列是目前主流的EUV掩模版图案发生设备。以MBMW 101为例，该设备能够在掩模版上形成512×512的束斑阵列，其中束斑直径为20 nm、束斑间距为160 nm的束斑阵列，其阵列大小为82μm×82μm。设备分辨率可达14 nm，位置精度高达0.1 nm，最大电流密度可达1 A·cm -2 ，这些特性使其单张掩模版的写入时间缩短到10 h内，大大提高了生产效率，并使得复杂图案的掩模版生产成为可能。
近年来，中国在电子束图案发生设备的研究方面基本处于停滞状态。中国只有少量高校和科研院所从事相关研发，但其设备的加速电压不足30 kV，扫描频率不足10 MHz，套刻精度也仅在亚微米量级，整体性能与国外设备存在较大差距。