第一章 引言

曝光机（Exposure Machine）是现代电子制造的“精密画笔”，其发展直接推动半导体、平板显示、印刷电路、微电子及纳米科技的进步。其技术的发展直接决定了芯片制程的精度、显示面板的分辨率以及电路板的可靠性，是现代电子工业的基石。

随着EUV技术的普及，高端曝光机已成为国家科技实力的象征，而中低端市场则需通过技术创新和国产替代实现自主可控。

第二章 曝光机的概念

曝光机（Exposure Machine）是通过特定光源掩模板（Mask）或光刻胶将微米级甚至纳米级图案精准转移至基底材料（如硅片、玻璃、金属箔等）上。在半导体、平板显示、印刷电路、微电子及纳米科技等高精度制造领域中作为工艺核心设备发挥着关键作用。

曝光机是一种大型机器设备，能够利用光线（如紫外线、可见光等）将图像信息从胶片或其他透明载体转移到涂有感光物质的表面上。其工作原理是基于感光材料的光化学反应特性，即感光材料在特定波长的光线照射下会发生物理化学性质的变化，从而在材料表面形成所需的图像或图案。

曝光机广泛应用于多个领域，包括但不限于印刷电路板（PCB）制造、半导体芯片生产、生物芯片制备以及微纳加工等。其中，UV曝光机和LED曝光机是市场上较为常见的两种类型。UV曝光机利用紫外线光源进行曝光，适用于高精度印刷电路板和其他高精度印刷品的制作；而LED曝光机则采用LED光源，具有省电节能、使用寿命长、反应时间快等优势，逐渐成为行业主流。

以目前现有技术，根据其工作原理，曝光机又可以分为传统类型与新型类型。传统类型又分为接触式，近接式，投影式等。

接触式‌是掩膜与基底直接接触，分辨率可达0.35微米‌；

近接式‌是掩膜与基底保持微小间隙，适用于较大特征尺寸，如1微米以上‌；

投影式‌则通过光学投影，不直接接触基底以达到减少物理接触造成的不良，从而大大提升良率。

新型是近年新研制的UVLED曝光机。

根据生产功能的不同，国内曝光机种类众多，本文则着重介绍平板显示制造设备中使用的曝光机。

图 1 曝光机外形图示（源于网络）

第三章 国内曝光机的应用

近年来，由于美国通过多种手段联合盟友对中国实施技术封锁，其中先进的曝光机、光刻机、镀膜机等制程设备的出口受到了严格管制。

平板显示制造工艺制程复杂繁多，其中核心设备制造头部厂商如下（截至2023年）

由上表可以看出制造设备的核心或龙头厂家大部分是日本厂家。市场占有率通常超过40%，在核心设备领域市场占有率超过70%。

在平板显示制造产线投资中约55%的投入是设备；其次是土木工程土地附属工程等。产线的制造设备中，价格最高的是曝光机、其次是CVD和PVD等设备。大世代投影曝光机全世界只有佳能和尼康能够制造，售价超过上亿美元。

虽然国内设备的国产化率已取得很大的发展，但在高世代产线中的核心设备仍然依赖进口。未来大世代产线工艺设备（如曝光机、蒸镀机）达成国产化突破后，就可以实现全产业链的自主可控‌。

国内平板显示制造头部企业以‌京东方‌为核心，华星光电、深天马、维信诺等企业均大量采用日韩设备。京东方自2019年超越韩国LG Display成为全球最大的平板显示器（FPD）制造商后，为深入开展技术更迭，近年又大量采购了佳能、尼康的新型大世代曝光机，主要用于高端IT类显示屏的制造‌。

第四章 工作原理

在介绍曝光机工作原理之前首先简单介绍液晶显示屏的构成。

1. 液晶屏的构成可分为液晶面板‌（LCD）与背光系统‌（Back-lightSystem）两大部分，具体结构如下图：

图 2 液晶屏构成图示（源于网络）

‌液晶面板‌（LCD）主要又由玻璃基板‌、偏光片、彩色滤光片、液晶等构成。如下图所示：

图 3 LCD面板构成图示（源于网络）

液晶面板‌（LCD）是由上下两片平行玻璃基板构成，中间填充液晶材料。上基板覆盖彩色滤光片，下基板集成TFT薄膜晶体管阵列，通过电场控制液晶分子排列，实现光线透射与色彩混合‌。

这里面最重要的就是彩色滤光片(Color Filter)，它是一种表现颜色的光学滤光片，它可以精确选择欲通过的小范围波段光波，而反射掉其他不希望通过的波段。彩色滤光片通常安装在光源的前方，使人眼可以接收到饱和的彩色光线。

其工艺过程是在透明玻璃基板上制作防反射的遮光层-黑色矩阵 (Black matrix)，再依序制作具有透光性RGB(红绿蓝)三原色的彩色滤光膜层，然后在滤光层上涂布一层平滑的保护层(Over Coat)，最后溅镀上透明的ITO导电膜。

在玻璃基板上制作矩阵与在矩阵中填充RGB的工艺过程中都需要曝光机的使用。

图 4像素图示（源于网络）

下图所示一个普通电脑电视液晶显示屏的1个像素大约在100~200μm，而手机显示屏在20~80μm之间。要在8世代线以上（基板玻璃尺寸为2200X2500mm）制作约20μm的像素，由此可见曝光机的精度之高。

2. 曝光机的工作原理基于光化学反应和光学成像原理。以LCD曝光机为例，其工作原理大致如下：

图 5 曝光机构成图示（源于网络）

①光源发出特定波长的光线，经过一系列透镜等光学元件聚焦后形成平行光束或特定形状的光斑。

②光斑照射到Mask掩膜板上，Mask掩膜板上携带有矩阵待复制的图形信息。当光线通过掩膜板时，只有一部分图形的光线能够透过并照射到基板平台的基板感光材料上。

③涂覆在基板上的感光材料（光刻胶）在光线照射下发生光化学反应，其溶解性发生变化。经过曝光后的感光材料在显影液中进行显影处理，未感光部分被溶解掉，而感光部分则保留在基板上形成所需图形。

在曝光过程中，需采用计算机控制设备的自动化、精确控制曝光时间、曝光强度、设备在十几米导轨平台上移动距离的精确控制（μm）等参数，以确保Mask掩膜版图形复制的精度和质量。

3. 本文主要介绍目前市场上流通的大尺寸液晶显示屏的曝光设备-近接式曝光机。日立高科目前在传统类的近接式曝光机市场中占有率最高，其次是日本精工。

所谓近接式曝光就是Mask掩膜板尽可能的靠近玻璃基板，然后再进行光源照射，Mask掩膜版与玻璃基板之间的间隙距离在60μm以内，距离越近，光照射到玻璃基板上的图形就会越狭小清晰。但不能触碰到玻璃基板，玻璃基板面积大而薄（8.5代2200mmx2500mmx0.5mm）一旦接触到很容易造成基板的破裂损伤或表面污染。 

图 6 Mask动作图示（源于网络）

4. 玻璃基板经过光源照射曝光后，通过显影洗净工序再次进入RGB(红绿蓝)三原色曝光机进行染色的填充曝光。具体流程如下：

图 7三原色RGB(红绿蓝)填充流程示意图

由上图可知曝光机在整个制造工艺流程中使用率很高，整个曝光设备尤其是8代技术以上的曝光设备体积巨大，通常重量几十、上百吨，整个设备集成了众多核心领域的关键技术。

‌机械领域：高精度基板承载机构、高精密机械传动结构‌及真空腔体的设计，能够确保设备在巨大的平台上以超高精度（μm级别）稳定运行。

‌真空领域‌：通过真空系统维持设备某些部位的真空环境（约4×10⁻⁴~ 1.33×10⁻⁵ Pa ），避免曝光过程出现的影响因素。

‌电子领域‌：通过电子控制集成高速信号处理模块、传感器和电源管理系统，实现曝光参数的实时调控‌。

激光领域：通过超高精度的激光测量（10nm）以及相关的干涉计等设备进行位置测量并反馈。

‌光学领域‌：采用UV曝光光源，通过光学透镜组（如复眼透镜、准直透镜、反射镜）实现均匀的光强分布。

‌光学对准技术‌：集成激光干涉仪或高分辨率CCD传感器，确保光刻胶与Mask掩模板的对准精度（通常≤50nm）‌。

第五章 结语

综上所述，曝光机作为现代制造领域中的重要设备之一，在半导体、微电子、生物器件及纳米科技等行业中发挥着举足轻重的作用。随着技术的不断进步和市场的逐步扩大，曝光机的性能与功能也将接续提升和完善。未来，随着智能制造和工业互联网等新兴技术的快速发展，曝光机将在更多领域展现出广阔的应用前景和市场潜力。同时，国内曝光机企业也在持续加强技术研发和创新力度，从而提升产品竞争力和市场份额，为推动我国高端制造业的发展做出更大贡献。

以上数据及图片参考来源：

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