MEMS光刻機是一種專門用于微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，簡稱MEMS）制造的精密設(shè)備，它結(jié)合了傳統(tǒng)半導(dǎo)體光刻技術(shù)與三維微結(jié)構(gòu)加工的特點，用于在硅片、玻璃或其他基底上形成微米級乃至納米級的結(jié)構(gòu)圖案。
一、MEMS光刻機的基本概念
MEMS光刻機是一種將光掩模（Mask）上的幾何圖案，通過紫外光或深紫外光投影到涂有光刻膠的晶圓上的設(shè)備。通過曝光和顯影后，光刻膠形成所需的微結(jié)構(gòu)圖案，這些圖案將作為后續(xù)刻蝕、沉積、離子注入或電鍍等工藝的模板。與用于IC制造的光刻機不同，MEMS光刻機更注重厚膜光刻、非平面表面曝光和大面積圖案對準(zhǔn)。
在MEMS中，光刻不僅用于形成電路，還用于構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)，如微懸臂梁、微腔、微透鏡陣列等。
二、MEMS光刻機的工作原理
光刻機的基本工作原理是光學(xué)成像投影，即利用光的照射特性將掩模上的圖案精確地轉(zhuǎn)移到光刻膠表面上。整個過程通常包括以下幾個步驟：
光刻膠涂布
在硅片或玻璃基底上旋涂一層感光膠（光刻膠）。不同的MEMS結(jié)構(gòu)需要不同厚度的光刻膠，厚度從幾微米到上百微米不等。常見的厚膜光刻膠如SU-8，適用于形成高深寬比結(jié)構(gòu)。
軟烘烤
光刻膠旋涂后含有溶劑，需要在低溫下烘烤去除溶劑，使膠層均勻且附著力增強。
曝光（核心步驟）
曝光時，光刻機通過光學(xué)系統(tǒng)將掩模上的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上。MEMS光刻機常采用紫外（UV）或深紫外（DUV）光源，波長一般為365nm、248nm或193nm。
曝光方式主要分為三類：
接觸式曝光（Contact Exposure）：掩模與光刻膠表面直接接觸，成像分辨率高，但易造成掩模損傷；
近接式曝光（Proximity Exposure）：掩模與樣品間保持微小間隙，可減少損傷但略損分辨率；
投影式曝光（Projection Exposure）：通過光學(xué)鏡頭縮小掩模圖案后投射到樣品上，適合大規(guī)模精密加工，是高端MEMS光刻機的主流形式。
顯影
曝光后，光刻膠中被光照區(qū)域發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，顯影劑會溶解其中的一部分，形成所需的圖案。
硬烘烤與刻蝕
顯影后進行硬烘烤以穩(wěn)定光刻圖案，隨后通過干法刻蝕（等離子體刻蝕）或濕法刻蝕將圖案轉(zhuǎn)移至基底材料中。
三、MEMS光刻機的關(guān)鍵技術(shù)
對準(zhǔn)與定位系統(tǒng)
MEMS器件通常需要多層結(jié)構(gòu)疊加，因此光刻機必須具備高精度對準(zhǔn)功能?，F(xiàn)代MEMS光刻機使用激光干涉測量系統(tǒng)，能實現(xiàn)亞微米級的對準(zhǔn)精度。
焦距控制系統(tǒng)（Focal Control）
MEMS器件表面往往不平整，焦距控制系統(tǒng)通過實時測距與自動調(diào)焦技術(shù)，確保光斑始終聚焦在正確平面上，保證曝光均勻。
厚膜曝光技術(shù)
傳統(tǒng)IC光刻膠厚度只有幾百納米，而MEMS常需10~200微米厚的光刻膠層。厚膜光刻機通常使用高強度UV光源（如汞燈或LED陣列）和均勻照明系統(tǒng)，以確保深層曝光完整。
三維光刻（3D Lithography）
為制造復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，MEMS光刻機可通過灰度掩模（Gray-Scale Mask）或多重曝光技術(shù)控制光刻膠不同深度的曝光劑量，從而在一層光刻膠中形成不同高度的三維結(jié)構(gòu)。
投影光學(xué)系統(tǒng)
高端MEMS光刻機采用多片透鏡組合的光學(xué)系統(tǒng)，能實現(xiàn)縮小投影（例如10倍或5倍縮小），并使用抗反射涂層減少像差，提高邊緣清晰度。
四、MEMS光刻機與傳統(tǒng)IC光刻機的區(qū)別
分辨率要求不同：IC光刻機追求極限分辨率（目前已到EUV 13.5nm級別），而MEMS光刻機主要關(guān)注結(jié)構(gòu)尺寸和厚度一致性，一般在1~5微米即可。
光刻膠厚度不同：MEMS常使用厚膜光刻膠以形成高深寬比結(jié)構(gòu)，而IC工藝光刻膠較薄。
曝光方式不同：MEMS更常用接觸式或近接式曝光，成本低且能加工大面積結(jié)構(gòu)。
材料多樣：MEMS加工的基底除硅外，還有玻璃、石英、聚合物、金屬等多種材料。
五、MEMS光刻機的典型應(yīng)用
傳感器制造：如加速度計、陀螺儀、壓力傳感器、紅外探測器等。
生物芯片：在玻片上制作微通道、微反應(yīng)室，用于細胞培養(yǎng)和檢測。
光學(xué)MEMS：如微鏡陣列、微透鏡、光調(diào)制器等。
微流控芯片：用于精密流體控制和化學(xué)反應(yīng)分析。
六、總結(jié)
MEMS光刻機是微機電系統(tǒng)制造的基礎(chǔ)設(shè)備，其核心原理是利用光的照射將掩模圖案高精度轉(zhuǎn)移到感光材料上，通過顯影和刻蝕形成微米乃至納米結(jié)構(gòu)。它不僅延續(xù)了半導(dǎo)體工藝的精密特征，又結(jié)合了三維加工的靈活性。隨著MEMS在汽車、生物醫(yī)療、智能設(shè)備等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，MEMS光刻機正不斷向更高分辨率、更厚膠加工、更智能自動化方向發(fā)展，成為連接微觀世界與宏觀器件的重要橋梁。
