光刻机的核心是将掩模版上的电路图形“刻”到硅片上，而光源是这一切的起点。不同代光刻机使用的光源不同，但其目标一致：产生极高亮度、极高稳定度、极短波长、极高重复频率、可长期稳定运转的光。

一、光刻光源的基本原理

所有光刻机光源都遵循光学的两条关键原理：

波长越短，分辨率越高

光刻分辨率大约与光源波长成正比，因此要不断“缩短波长”，从传统紫外光走向深紫外，再走向EUV。

亮度越高，曝光越快

光刻需要非常多的光子，光子越多越集中，曝光时间越短、图形越清晰。

因此光刻光源必须具备：

短波长

高能量密度

高稳定度

高频率（几万—几十万次/秒）

极长寿命（几千亿次脉冲）

这些要求使光刻光源成为全球最顶尖的光学与等离子体技术融合体。

二、准分子激光光源（现代光刻的主力）

当前主流的 DUV 光刻（如 193 nm 浸没式）全部使用 准分子激光器（Excimer Laser）。它是一种气体激光器，由 KrF（248 nm）或 ArF（193 nm）等气体混合物激发产生短波紫外光。

工作原理（简化说明）

激光器内部充入稀有气体与卤素气体，如 Ar 和 F₂。

高压电场在气体中产生放电，将气体激发成带能量的“准分子”。

准分子在极短时间内跃迁回基态并释放紫外光子。

腔镜结构反复放大光子，形成极稳定的脉冲激光束。

激光经光学整形、功率稳定系统后输送到光刻机。

其本质就是：用气体放电产生短波激光，然后稳定输出。

为什么是准分子激光？

波长恰好适合深紫外光刻（特别是 193 nm）。

光束质量高，可做成极窄的线宽。

脉冲重复频率高，可达到几万次每秒。

输出能量稳定，是几十年量产验证过的技术。

目前世界上能生产高端准分子激光器的主要是 美国 Cymer 与日本 Gigaphoton，ASML 的多台光刻机配套使用 Cymer（已被 ASML 收购）。

三、EUV 光源（13.5 nm 极紫外光）

EUV 是光刻史上最难的光源，被认为是全球最复杂的光学设备之一。其核心来自 等离子体产生的 13.5 nm 极紫外光。

EUV 的本质：

用高功率激光打在微米级金属锡（Sn）液滴上，使其瞬间变成高温等离子体，等离子体在冷却时释放出极短波长的 13.5 nm EUV 光。

详细原理（通俗化）

一台高速喷射器喷出直径约 30 微米的锡液滴。

一束功率极高的 CO₂ 激光（数十千瓦级）对准每个液滴进行双脉冲照射：

第一次脉冲将液滴拍扁成薄盘

第二次脉冲将薄盘瞬间加热到几十万度，形成高温等离子体

等离子体冷却时发出 13.5 nm 的极紫外光。

EUV 光非常容易被空气吸收，因此必须在完全真空中传输。

由多层 Mo/Si 多镜面反射结构引导光线进入光刻系统。

所有镜子反射率只有 70%左右，因此整机能量损失巨大，需要极高的光源功率来补偿。

EUV 光源是光刻技术最高难度的一环，因为它涉及：

超高功率激光技术

高速锡液滴控制

高温等离子体物理

真空环境

多层反射镜系统

动态功率稳定系统

目前全球能量产 EUV 光源的只有 ASML。

四、光刻光源的关键挑战

光刻光源是整个光刻机最复杂的部分之一。难点包括：

能量稳定度

稍微不稳就会导致曝光不均匀、芯片缺陷。

光斑均匀性调节

光源需要将光斑均匀化到极高水平，使每个晶圆点受光一致。

极低杂散光

杂散光会破坏纳米级图形。

长期可靠性

一台光刻机每天要运行数十亿次脉冲，光源不能轻易损坏。

维护与气体管理

准分子激光内部的气体需要不断循环、净化、补充。

能量巨大但可控

EUV光源功率超过 200 W，传统激光和等离子体控制难度极高。

五、总结

光刻机光源的核心目标是产生 极短波、极高亮度、极稳定的光，以满足纳米级光刻的分辨率需求。

三类光源：

水银灯：历史启蒙

准分子激光（193/248 nm）：现代主力，气体放电产生深紫外激光

EUV光源（13.5 nm）：最高难度，激光打锡液滴生成高温等离子体光源

虽然光刻机结构巨大、光学复杂，但光源永远是它的“心脏”。没有光源，就没有纳米芯片的制造。