光刻机是芯片制造中最核心的设备，被誉为“芯片制造的心脏”。它的任务是把设计好的电路图案精确地“印”在硅片表面，让一块普通的硅变成拥有数十亿个晶体管的智能芯片。

一、基本原理：光刻就是“微型印刷”

光刻的核心思想与照相类似：用光把掩膜（也叫光罩）上的电路图案投影到涂有光敏材料的硅片上。硅片表面先涂上一层“光刻胶”（photoresist），它能对光线产生化学反应。光刻机通过照射特定波长的光，让光刻胶的曝光区域性质改变，然后用显影液将曝光和未曝光的部分洗去，形成所需的电路图案。

这就像在照片底片上曝光再显影，只不过芯片上的图案比照片复杂得多，精度要求高到纳米级。通过重复几十次光刻、刻蚀、沉积、抛光等工艺，就能在硅片上“堆叠”出上百层电路结构，最终形成CPU或存储芯片。

二、关键环节：从掩膜到硅片

整个光刻过程主要包括以下几个关键环节：

掩膜（Mask）制作

掩膜是一块印有电路图案的石英玻璃片，上面镀有不透明的铬层。它相当于芯片的“蓝图”，光刻机要将掩膜上的图案一层层复制到硅片上。

光刻胶涂覆

硅片清洗干净后，会通过旋涂机在表面均匀涂上一层几百纳米厚的光刻胶。光刻胶对不同波长的光具有敏感反应性。

曝光

光刻机利用深紫外光（DUV，193nm）或极紫外光（EUV，13.5nm）照射掩膜。掩膜将光线按电路形状投射到光刻胶上，完成图案转移。

显影

曝光后，硅片被送入显影机。显影液会把曝光的部分溶解掉（对于正性光刻胶）或保留下来（对于负性光刻胶），留下对应电路图案的结构。

刻蚀与去胶

显影后的光刻胶图案被用作掩膜，通过化学刻蚀或离子轰击将图案转移到硅层或金属层中。刻蚀完后去除光刻胶，一层电路结构就完成了。

三、光刻机的核心技术

光刻机之所以被称为人类制造史上最复杂的机器，是因为要在一块20厘米的硅片上精确“印”下数十亿个晶体管，每个晶体管的尺寸只有几纳米。这要求光刻机的光学、机械和控制系统都达到极致。

光源系统

光刻机的光源决定了分辨率。波长越短，图案越小。

传统光刻机使用193纳米的深紫外光（ArF激光）。

最先进的EUV光刻机使用13.5纳米的极紫外光，能实现5nm甚至2nm制程。

这种EUV光源是通过高能激光打在锡液滴上产生等离子体，从而发出13.5nm光线。

投影光学系统

光刻机通过高精度透镜或反射镜把掩膜图案缩小并投射到硅片上。EUV光刻机使用全反射镜系统，因为13.5nm光无法通过玻璃。每个镜面的平整度需达到0.1纳米级，否则图案会失真。

晶圆台与对准系统

光刻机内部的晶圆台负责高速移动硅片，并与掩膜的图案精准对位。

它采用磁悬浮系统支撑，通过激光干涉仪实时检测位置误差。

对位精度控制在±1纳米以内，相当于一根头发直径的十万分之一。

真空系统

EUV光在空气中会被完全吸收，因此整台EUV光刻机必须在高真空环境中运行，所有光路、掩膜和晶圆都在真空舱内完成。

四、图案缩小与叠加

在曝光过程中，掩膜上的电路图案会被缩小4倍或5倍后投射到硅片上。例如，掩膜上的线宽是40纳米，最终在芯片上形成的线宽可能只有10纳米。

芯片制造需要几十层电路结构，每层都必须与下层图案精确对齐，这称为“叠加对准”（overlay）。ASML最先进的光刻机叠加误差控制在1纳米以内，否则芯片无法正常工作。

五、重复制造：层层堆叠出芯片

光刻并非只进行一次。一个高性能处理器要经过数十次光刻和刻蚀。

比如：

第一层：绘制晶体管栅极；

第二层：形成接触孔；

第三层：刻出金属互连；

之后还要重复几十次金属层和绝缘层的光刻。

每完成一层，晶圆都要回到光刻机重新对准、曝光、显影。最终几十层叠加在一起，形成复杂的三维微电路结构。

六、光刻机在芯片中的地位

可以说，没有光刻机，就不可能制造出现代芯片。

它是将设计转化为实体电路的唯一关键设备；

它决定了芯片的最小线宽，也就是“制程节点”（如7nm、5nm、3nm）；

它的性能直接决定一家晶圆厂的技术水平。

目前，全球只有荷兰ASML能制造EUV光刻机，是台积电、三星、英特尔等先进工艺芯片生产线的核心装备。

七、总结

光刻机做芯片的原理，是利用高能光源通过掩膜把电路图案精确曝光到硅片上，再通过显影、刻蚀和多层叠加形成纳米级电路。