光刻机是半导体制造中最核心的设备之一，它的作用是把电路图形从掩模版精确地转移到硅片上的光刻胶层上。其结构原理本质上是高精度光学投影成像系统 + 纳米级运动控制系统 + 高稳定能量控制系统的综合工程。

一、基本工作原理：光学投影缩小成像

光刻机的核心思想类似“投影仪”，但精度达到纳米级。

流程为：

光源发出特定波长的光 → 光经过照明系统均匀化 → 通过掩模版（Mask） → 携带电路图形 → 进入高精度投影物镜 → 按比例缩小 → 成像在涂有光刻胶的硅片上。

光刻胶在曝光后发生化学变化，经过显影后形成图形，再进行刻蚀或沉积，最终形成电路结构。

二、主要结构模块

光源系统

现代先进光刻机通常使用极紫外光（EUV）或深紫外光（DUV）。

例如ASML生产的设备采用13.5纳米波长EUV光源。

代表厂商如 ASML。

光源系统的作用是提供高能量、稳定、单色性极高的光。

照明系统

照明系统负责把光源输出的光调整为均匀、可控的光场。

包括反射镜组、积分器等结构，使掩模版受光均匀。

掩模版（Mask）

掩模版上刻有电路图形。

光通过透明区域，遮挡不透明区域。

图形通常比最终电路大数倍（例如4倍），由投影系统缩小。

投影光学系统

这是光刻机的“心脏”。

由多片高精度透镜（或EUV系统中为反射镜）组成。

作用是将掩模图形按比例缩小（如4:1）并高精度聚焦到晶圆上。

在EUV系统中，由于极紫外光无法通过普通玻璃透镜，必须使用多层反射镜系统。

晶圆运动平台

晶圆台采用磁悬浮或气浮技术，实现纳米级定位精度。

曝光时需要极高的同步精度：

掩模台和晶圆台必须同步扫描运动（称为“扫描式曝光”）。

控制与测量系统

包括激光干涉仪，用于实时测量位置；

包括温度控制系统，防止热膨胀误差；

包括振动隔离系统，避免地面震动影响成像。

三、分辨率的决定因素

光刻分辨率主要由公式决定：

分辨率 ≈ k × λ / NA

其中：

λ 是光波长

NA 是数值孔径

k 是工艺系数

要做更小的芯片线宽，就要：

缩短波长（DUV到EUV）

提高数值孔径

优化光学系统

四、为什么结构如此复杂

芯片线宽已进入纳米级（如3nm、5nm）。

这意味着允许误差只有原子尺度数量级。

任何微小震动、温度变化、空气扰动都会影响图形精度。

因此光刻机内部通常：

使用真空环境（EUV系统）

多层反射镜误差控制在原子级

整机重量达数百吨

五、总结

光刻机的结构原理可以概括为：

“高精度光学投影成像 + 纳米级同步扫描运动 + 极端稳定控制系统”。

它不是简单的“照相机”，而是一套将光学、机械、材料、控制、真空技术集于一体的超级精密系统。

简而言之：

光源决定分辨能力的极限；

投影系统决定图形质量；

运动平台决定对准精度；

控制系统保证稳定重复。

正是这些复杂结构协同工作，才使现代芯片能够在指甲大小的硅片上集成数百亿个晶体管。