在现代芯片制造中，光刻机是最关键、最复杂、也是最昂贵的设备。它的作用是将电路图案精确地转移到硅片表面，是芯片制造工艺的“心脏”。

一、基本原理

光刻机的原理与照相机相似：通过光线将掩膜（Mask）上的电路图案“曝光”到硅片上的光刻胶层上，再经过显影、刻蚀、去胶等步骤，就能在硅片表面形成微米或纳米级的电路结构。

在早期的光刻技术中，使用的是深紫外光（DUV），波长为193纳米。而EUV光刻机使用的是波长13.5纳米的极紫外光，这种光的波长极短，因此能够刻出远小于10纳米的线宽，实现如今7nm、5nm甚至2nm级芯片的制造。

波长越短，光的衍射效应越小，图案转移的精度越高，这就是“短波长决定分辨率”的核心原理。

二、光源系统

EUV光刻机最核心的部分是它的光源系统。与传统光刻机不同，EUV光线无法通过普通灯或激光器产生，它是通过一种“激光等离子体”技术实现的。

具体来说，系统会喷射出微小的锡（Sn）金属液滴，每秒上千颗。然后利用高功率CO₂激光束照射这些锡滴，使它们瞬间气化、形成高温等离子体。在这个过程中会产生波长为13.5纳米的极紫外光。

这种EUV光能量极低，产生效率只有不到1%，因此整个光源系统需要在高真空环境下工作，并使用复杂的多层反射镜将这些微弱的光线汇聚成稳定、可控的光束。

三、光学系统

由于EUV光的波长极短，它不能通过玻璃透镜（因为13.5nm的光会被吸收），所以EUV光刻机完全放弃了透射光学系统，全部使用反射镜光学系统。

整机内部共有6到8个高精度反射镜，每个镜面由多层莫/硅材料交替镀膜组成，能在13.5纳米波段实现约70%的反射率。

这些镜子由蔡司（Zeiss）制造，表面平整度误差仅在原子级别（小于0.25纳米）。光线经过多次反射后被聚焦到掩膜上，再从掩膜反射到硅片表面。整个光路的几何精度必须保持在几纳米以内，否则就会导致电路图案失真。

四、掩膜与投影

掩膜（Mask）就像芯片设计的底片，上面印有电路图案。EUV光照射掩膜后，图案通过反射的方式转移到硅片上的光刻胶层。

不同于可见光光刻机使用的透射掩膜，EUV采用的是反射掩膜。掩膜表面由几十层反射涂层构成，每层厚度控制在纳米级。光经过掩膜后，部分能量被吸收，部分被反射到硅片上。

掩膜与硅片之间的图案对准（也称为“对位”）由极高精度的干涉测量系统控制。ASML的EUV光刻机在曝光时的对准误差小于1纳米，这相当于一根头发直径的十万分之一。

五、真空系统

EUV光在空气中几乎无法传播，会被气体完全吸收，因此整台EUV光刻机必须在高真空腔体中运行。

从光源、光路、掩膜到晶圆台，都被封装在真空舱内。设备的真空度可达到10⁻⁶帕级别，这样EUV光才能顺利传输并保持能量稳定。

六、晶圆台与对位控制

EUV光刻机的晶圆台系统极为复杂，它需要以极高速度和极高精度移动。一个晶圆在曝光时，平台会以每秒数百毫米的速度移动，而位置误差必须小于1纳米。

为了达到这种精度，平台使用磁悬浮系统支撑，利用干涉仪和激光测距系统进行实时反馈控制。这一系统由ASML与德国的蔡司公司联合开发，是整机最关键的机械控制部分之一。

七、技术难点与意义

EUV光刻机之所以成为目前全球最先进、最昂贵的设备（单台价格高达2亿美元以上），是因为它集合了世界上最复杂的光学、机械、真空、激光与控制技术。

主要技术难点包括：

EUV光源效率极低，需要上百千瓦激光才能产生可用光束。

镜面反射损失大，每经过一次反射光强就下降30%。

掩膜缺陷难以检测，容易造成芯片缺陷。

真空环境极为严苛，任何微粒都可能造成污染。

然而，正是因为这些突破，EUV光刻机才使得5nm、3nm甚至2nm芯片成为可能。它是推动摩尔定律继续前进的核心装备。

八、总结

目前最先进的光刻机——ASML的EUV光刻机，通过13.5纳米极紫外光实现超高分辨率曝光。它利用锡激光等离子体产生光源，以多层反射镜系统取代传统透镜，结合真空环境、高精度平台与反射掩膜，实现了纳米级图案转移。