沉浸式光刻机，是在深紫外（DUV）光刻基础上发展起来的一种先进曝光技术，其核心思想是在投影物镜与晶圆之间引入高折射率液体，从而提高系统数值孔径（NA），突破传统干式光刻分辨率极限。

沉浸式光刻的理论基础来自经典光学分辨率公式：

R = k₁λ / NA

其中λ为曝光光源波长，NA为数值孔径。要提升分辨率，可以缩短波长或提高NA。在193nm ArF激光成为主流后，波长已经难以进一步缩短，于是工程师将突破方向转向提高数值孔径。数值孔径的定义为 NA = n·sinθ，其中n是光学介质的折射率。传统干式光刻中，晶圆与物镜之间为空气，折射率约为1。而在沉浸式光刻中，引入折射率约1.44的超纯水作为介质，使NA显著提高，从而实现更小线宽成像。

这一技术由行业龙头 ASML 首先大规模商业化，同时 Nikon 与 Canon 也开发了相关系统。沉浸式光刻机通常仍使用193nm ArF准分子激光作为光源，但通过液体介质将有效数值孔径提高到1.35甚至更高，从而突破了传统NA小于1的限制。

沉浸式光刻机的工作原理可以分为几个核心环节。首先，激光光源发出193nm紫外光，经照明系统整形后照射掩模版（Mask）。掩模上的电路图形通过高精度投影物镜缩小后投射到晶圆表面。不同之处在于，物镜与晶圆之间不是空气，而是一层持续流动的超纯水。该水层必须保持稳定、均匀、无气泡，并与高速扫描的晶圆台同步移动。

液体的引入不仅提高分辨率，还改善了景深。景深增加意味着对焦容忍度提高，有利于工艺稳定性。但液体环境也带来了新的工程挑战。例如，水必须达到极高纯度，否则杂质会污染光学系统或晶圆表面；同时要防止液体残留和水痕问题。为此，沉浸式系统配备复杂的液体循环与回收系统，在曝光区域局部形成受控水膜，并实时抽走液体。

在实际作用上，沉浸式光刻机极大延长了193nm光源的技术生命周期。在极紫外（EUV）光刻成熟之前，沉浸式技术配合多重曝光工艺，支撑了多个先进制程节点的量产。例如通过双重曝光或自对准双图形技术，可以实现更小的有效线宽。也就是说，沉浸式光刻不仅依赖物理光学提升分辨率，还结合复杂的工艺优化。

沉浸式光刻机还需要极高精度的运动控制系统。晶圆台在曝光过程中以高速扫描运动，液体系统必须与之同步，确保水层厚度稳定。任何微小振动或气泡都会影响成像质量。因此设备内部采用磁悬浮或空气轴承系统，保证纳米级定位精度。

此外，沉浸式技术对光刻胶材料提出更高要求。光刻胶必须在水环境中保持稳定，不溶胀、不降解，同时对193nm光具有良好敏感性。这推动了光刻胶化学体系的进一步发展。

总体而言，沉浸式光刻机的原理是通过在投影光学系统与晶圆之间引入高折射率液体，提高数值孔径，从而在不改变光源波长的情况下提升分辨率。其作用在于延伸传统深紫外光刻技术的能力边界，使半导体制造能够继续向更小线宽推进。