光刻机（Lithography Machine），又称光刻系统，是半导体制造中最核心的设备之一。它的主要任务是将电路图形从掩模（mask 或 reticle）转移到硅片（wafer）上的光刻胶层，从而逐层构建微电子芯片的结构。

一、光刻的基本原理

光刻机的工作流程可分为以下几个关键步骤：

涂胶（Coating）

在硅片表面旋涂一层光刻胶（photoresist）。光刻胶是一种对光敏感的高分子材料，可以在特定波长光照射下发生化学变化。

对准（Alignment）

硅片上的图形往往是多层叠加形成的，光刻机必须通过高精度的对准系统，将掩模上的图形与硅片上已有结构准确重合。对准精度通常要求在纳米级别。

曝光（Exposure）

通过投影光学系统，把掩模上的电路图形缩小后投射到光刻胶上。根据光刻胶的类型，曝光区域会变得可溶或不可溶。

正性光刻胶：曝光区域变可溶，显影后被溶掉。

负性光刻胶：曝光区域变不可溶，未曝光部分被溶掉。

显影（Developing）

用显影液清洗光刻胶，得到期望的图案。随后再通过刻蚀、沉积等工序，将图案转移到硅片材料层中。

这个过程需要反复进行几十至上百次，每次完成一个电路层的制造，最终形成包含数十亿晶体管的芯片。

二、光刻机的分类

根据所用光源波长不同，光刻机可分为以下几类：

紫外光刻机（UV Lithography）

早期的光刻使用 g-line（436 nm）和 i-line（365 nm）汞灯光源，适合生产微米级工艺。

后来发展到 深紫外光（DUV，248 nm、193 nm），使用 KrF（氟化氪）或 ArF（氟化氩）准分子激光器，可支持 90 nm、65 nm 等制程。

浸没式光刻（Immersion Lithography）

在硅片与投影镜头之间加入一层高折射率的水，使数值孔径（NA）提高，从而分辨率提升。浸没式 ArF 光刻是目前先进 DUV 工艺的主力。

极紫外光刻机（EUV Lithography）

使用 13.5 nm 极紫外光，波长大幅缩短，可支持 7 nm、5 nm、3 nm 甚至更小节点。

EUV 光刻机的核心挑战包括光源强度不足、反射镜精度要求极高、真空系统复杂等。

目前全球只有荷兰 ASML 能量产 EUV 光刻机。

三、光刻机的核心组成

一台现代光刻机价格可达 1.5 亿美元以上，内部包含数十万个零部件。其核心模块主要有：

光源系统

提供特定波长和强度的光。DUV 使用激光器，EUV 使用激光打击锡靶产生等离子体。

掩模台与掩模（Mask/Reticle）

掩模是电路图形的载体，掩模台负责固定和移动掩模，保证图像投射稳定。

投影光学系统

由超高精度透镜或反射镜组成，将掩模上的图像按一定比例（通常 4:1 或 5:1 缩小）投射到硅片上。

EUV 因为材料对 13.5 nm 光几乎不透明，所以只能用多层反射镜（Mo/Si 多层膜）。

硅片台（Wafer Stage）

硅片在曝光时要高速移动，且定位精度达到纳米级。台面常用气浮方式减小摩擦。

控制与检测系统

包括对准检测、焦距控制、振动补偿等，依赖光学、机械和电子多学科融合。

四、光刻机的重要性与应用

芯片制造核心环节

光刻决定了电路最小特征尺寸，直接影响芯片的运算速度、功耗和成本。

科研与产业应用

除了半导体芯片，光刻技术还用于制造微机电系统（MEMS）、光子器件、生物芯片等。

五、未来发展方向

High-NA EUV

新一代 EUV 光刻机的数值孔径提高到 0.55，分辨率进一步提升，可支持 2 nm 甚至更小工艺。

多重图形化（Multiple Patterning）

在没有 EUV 的情况下，仍可通过多次曝光与刻蚀叠加来实现更小尺寸，但工艺复杂、成本高。

新型光刻方式

电子束直写（EBL）：精度极高，但速度慢，主要用于掩模制作或科研。

纳米压印光刻（NIL）：通过物理压模方式复制纳米结构，有望在某些领域替代传统光刻。

总结

光刻机（Lithography）是半导体制造的核心装备，其原理是通过光学投影将电路图形转移到硅片上。随着波长不断缩短，从紫外到极紫外，分辨率持续提升，使芯片工艺节点从微米级走向纳米级。现代光刻机集成了光学、精密机械、材料科学、控制工程等多学科技术，被誉为“人类工业皇冠上的明珠”。