光刻机是干什么用的？发展史、工作原理、分类一览

信息化时代，半导体材料是发展的基石，谁能掌握半导体材料的生产技术谁就能在时代发展中占据领先地位，而半导体材料的生产离不开光刻机，作为半导体材料生产中的重要一环，光刻决定了半导体材料的质量。那么，光刻机具体是干什么的呢?本文将介绍光刻机发展史、工作原理及分类，希望对您有所帮助。

1.光刻机

光刻机是集成电路(integrated circuit，IC)制造中光刻环节的核心设备，技术含量、价值含量极高。光刻机涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术，是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备。

2.光刻机分类

当前，市面上的光刻机主要分为无掩膜光刻机和有掩膜光刻机。

(1)无掩膜光刻机

无掩膜光刻机又可细分为电子束直写光刻机：主要用于高分辨率掩膜版制造;激光直写光刻机：用于小批量特定芯片制造;离子束直写光刻机：多用于实验研究。

(2)有掩膜光刻机

有掩膜光刻机又可细分为接近/接触式光刻机：设备价格较为便宜;投影光刻机：目前广泛使用。

3.光刻机工作原理

光刻机使用纳米级的激光对硅片进行光刻，激光通过一系列光源能量、形状控制的手段后，投射过画有线路图的掩膜，将线路图按照一定比例缩小后映射到硅片上。然后使用化学方式显影，得到刻在硅片上的电路图。

4.光刻机发展史

(1)接触式光刻机

接触式光刻机是20世纪60-70年代集成电路制造中的主要设备，接触式光刻机的缩放比为1：1，分辨率可达到4~5微米。由于掩模和光刻胶膜层反复接触和分离，随着曝光次数的增加，会引起掩模版和光刻胶膜层损坏、芯片良率下降等不良后果。一般掩模版在完成15~25次曝光后就需要进行清洁或更换，掩模版的制造和维护费用增加了光刻成本和芯片制造成本。

(2)接近式光刻机

接近式光刻机在曝光过程中掩模版和光刻胶膜层之间存在10~25m的间隔，有效减少了掩模版和光刻胶膜层损伤。相比于接触式光刻机而言，接近式光刻机延长了掩模版的使用寿命，降低了芯片制造成本。接近式光刻机的缩放比近似为1：1，分辨率可达到 2-4m，是20世纪70年代芯片制造的主要设备。

(3)扫描式投影光刻机

为缩小集成电路的特征尺寸，1973 年美国珀金埃尔默(Perkin Elmer)公司研制出扫描式投影光刻机，型号为 PE 100，PE100 光刻机采用共心全反射式投影系统，缩放比为1：1，数值孔径达到0.167。

(4)分步式投影光刻机

为满足集成电路制造对更小特征尺寸的需求，1978年，美国GCA公司研制出分步式投影光刻机，型号为 DSW4800。DSW4800采用g线(436nm)波长的汞灯光源，投影物镜的数值孔径达到0.28，缩小比例为10：1，可适用于特征尺寸为 1.25m的集成电路制造。

(5)步进扫描投影光刻机

当集成电路制造的特征尺寸减小到250nm及以下时，光刻工艺对光刻机的对准精度、分辨率和产率等关键性能指标的要求更高。1990 年美国 SVGL 公司推出步进扫描投影光刻机，型号为Micrascan I。

5.光刻机市场格局

2020年全球光刻机市场TOP企业竞争格局(按销售量)来看，ASML占比63%，是全球光刻机绝对的龙头;此外，CANON占比30%，NIKON占比7%。

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