光刻机是现代半导体制造中最核心、最复杂的设备之一，它的任务是将芯片设计图案精确地转印到硅晶圆表面的光刻胶上，从而形成集成电路的微观结构。
一、光刻机的总体结构
现代光刻机主要由以下几个核心部分组成：
光源系统（Illumination System）
掩模台与掩模（Mask/Reticle System）
投影物镜系统（Projection Optics System）
晶圆台与晶圆（Wafer Stage System）
对准与测量系统（Alignment and Metrology System）
控制与环境系统（Control & Environment System）
这些部分协同工作，共同完成光刻图案的精准曝光。
二、光刻机内部关键结构与功能
1. 光源系统
光源是光刻机的“心脏”。
在早期的光刻机中，主要使用汞灯（g线436 nm、i线365 nm）；后来的深紫外（DUV）光刻机则采用氟化氪（KrF, 248 nm）或氟化氩（ArF, 193 nm）激光；而最先进的极紫外（EUV）光刻机使用波长为13.5 nm的等离子体光源。
光源系统的作用是提供稳定、均匀的光照强度，并通过光阑和整形光学元件将光束均匀分布到掩模上。它包含：
激光发生器或等离子体发生腔；
光整形反射镜系统；
均匀化照明组件；
光强控制与反馈模块。
其设计目标是保证照明均匀度达到±1%以内，否则曝光图案会出现线宽不均的问题。
2. 掩模台与掩模（Reticle System）
掩模（又称光罩）上刻有芯片电路的原始图案，相当于“底片”。
在曝光过程中，光源发出的光经过光学系统照射在掩模上，掩模上透明与不透明区域控制光线的通过，从而形成电路图案的光学投影。
掩模台的作用是：
精确固定掩模；
在扫描式光刻机中与晶圆台同步移动，实现步进或扫描曝光。
掩模通常采用高纯度石英玻璃制作，并镀上铬层形成遮光图案。其位置精度需达到纳米级别。
3. 投影物镜系统（Projection Lens System）
投影物镜系统是光刻机最核心的部分，相当于相机的镜头。它负责将掩模上的图案以缩小比例（通常为1/4或1/5）投影到涂有光刻胶的硅晶圆表面。
这个系统的结构极其复杂，由多组高纯度光学镜片组成，镜片之间需严格控制位置与曲率。投影物镜系统决定了光刻的解析度（即最小线宽）。
光学设计遵循阿贝成像原理，解析度与波长 λ 及数值孔径 NA 成反比，因此短波长与高NA的系统能获得更高分辨率。
在EUV光刻中，传统透镜无法使用，改为使用多层膜反射镜系统，每层厚度控制在纳米级，利用反射实现聚焦与成像。
4. 晶圆台与晶圆系统（Wafer Stage）
晶圆台是光刻机的“基础平台”，承载待曝光的硅晶圆。
在曝光过程中，晶圆台需实现极高速、高精度的二维运动，保证掩模图案与晶圆位置完全同步。
它的主要功能包括：
精确定位晶圆；
以纳米级精度控制移动路径；
吸附固定晶圆，防止振动；
维持恒温（通常在23±0.01℃）。
为了达到亚纳米级精度，晶圆台通常采用磁悬浮驱动系统，无机械接触、无摩擦，可实现极高的平稳性。
此外，晶圆表面还需通过真空吸附与空气浮动技术保持平整度。
5. 对准与测量系统（Alignment & Metrology）
光刻机的对准系统负责将掩模图案与晶圆上已有层的图案精确对齐。
现代芯片有上百层结构，每一层的对位误差必须控制在几纳米以内，否则电路连接会出现错位。
对准系统利用激光干涉、相位检测与图像识别技术，通过测量掩模与晶圆上的对准标记，实现自动对焦与精确定位。
在EUV光刻机中，还引入了“多层反射干涉对位系统”，以保证在真空环境下的精度。
6. 控制与环境系统
光刻机对工作环境要求极高，需在恒温、恒湿、无尘（Class 1级）条件下运行。
控制系统包括：
运动控制单元（控制晶圆台和掩模台）；
光学控制单元（调节光强与波前）；
反馈系统（实时监控曝光参数）。
此外，EUV光刻机需要在超高真空环境中运行（10⁻⁶ Pa级），以防止13.5 nm光线被空气吸收。
因此整机内含多级真空腔体、冷却系统及防震结构，体积巨大、重量超过180吨。
三、光刻机的工作原理总结
光刻机的核心原理是“光学投影缩小成像”。
简而言之，就是利用光源通过掩模投影出电路图案，经由高精度光学系统缩小并投射到涂有光刻胶的晶圆表面。曝光后，光刻胶在显影过程中表现出溶解差异，从而在晶圆上形成电路图案。之后经过刻蚀、沉积、抛光等工艺，逐步形成芯片的晶体管与连线结构。
四、总结
光刻机的内部构造是人类工程史上的巅峰之一。它集成了极高精度的光学、机械、电子、气动与控制系统，任何微小误差都可能导致数十万美元的晶圆报废。从光源发射到图像投射，每个环节都经过纳米级控制。其原理虽类似照相机，但精度和复杂度高出数百万倍。
