光刻机，全称光学投影光刻机（Photolithography Machine），是半导体制造过程中最核心、最复杂、也是最昂贵的设备之一。它的主要功能是将芯片设计电路图案精确地转移到硅片表面光刻胶上，从而逐层“雕刻”出集成电路。

一、光刻机的基本原理

光刻机的工作原理类似于“缩小版的投影仪”。在芯片制造中，设计好的电路图案会先制作在掩模版（也叫光掩模或掩模版 mask）上，然后光刻机利用紫外光源将掩模版上的电路图案缩小数倍后投射到涂有光刻胶的硅片上。

光源：常见的有深紫外光（DUV，193nm）和极紫外光（EUV，13.5nm），波长越短，分辨率越高。

掩模版：相当于电路的底片，包含复杂的电路图案。

光学系统：由多组高精度镜头组成，用于缩小并聚焦光线。ASML的EUV光刻机精密到镜片表面误差仅在原子级。

硅片和光刻胶：硅片表面涂有一层光刻胶（感光材料），受光照射后发生化学反应，从而显影出电路图案。

通过多次重复曝光、显影、蚀刻、沉积等步骤，数十甚至上百层电路结构被逐步“刻”到硅片上，最终形成复杂的集成电路。

二、光刻机的核心作用

光刻机是芯片制造的核心工序，因为芯片电路的线宽（也就是工艺节点，比如7nm、5nm、3nm）几乎由光刻机的分辨率决定。它直接决定了芯片的集成度、功耗和性能。

线宽越小 → 晶体管越多 → 芯片计算能力更强、能耗更低。

如果没有先进光刻机，芯片只能停留在几十纳米甚至更大的工艺节点，无法与国际最先进的水平竞争。

因此，光刻机被誉为“现代工业皇冠上的明珠”。

三、光刻机的分类

光刻机按照使用的光源不同，可分为以下几类：

紫外光刻机（UV Lithography）：早期使用365nm、248nm光源，已逐渐退出高端芯片制造。

深紫外光刻机（DUV Lithography）：使用193nm光源，目前仍广泛用于28nm、14nm甚至7nm工艺。配合浸没式技术（在镜头和晶圆之间加入水层增加分辨率），可以突破分辨率限制。

极紫外光刻机（EUV Lithography）：使用13.5nm波长光源，目前最先进的光刻技术，可以实现7nm、5nm甚至3nm制程，是当前半导体产业的核心。

四、光刻机的制造难度

光刻机是人类制造过的最复杂的机器之一，其难度体现在以下几个方面：

光学系统极限：EUV光刻机的镜片由德国蔡司公司生产，精度要求到原子级。

光源极端复杂：EUV光源需要用高功率激光轰击锡滴，产生等离子体发射出13.5nm极紫外光，再通过多层反射镜传输。

精密控制：硅片与掩模版的对准精度要达到纳米级，任何震动、灰尘都可能报废整片晶圆。

系统复杂度高：一台EUV光刻机由10多万个零部件组成，重量达180吨，运输需要几十个集装箱。

五、光刻机的代表企业

目前全球能够制造高端光刻机的公司极少：

ASML（荷兰）：全球唯一能量产EUV光刻机的企业，市场占有率超过80%。

尼康（日本）、佳能（日本）：主要生产中低端光刻机，在高端市场已被ASML超越。

这也解释了为什么光刻机常被用作“卡脖子”的核心技术。

六、光刻机的应用领域

芯片制造：CPU、GPU、存储芯片、通信芯片等都依赖光刻机制造。

显示面板：用于液晶和OLED屏幕的制造。

微机电系统（MEMS）：如传感器、加速度计。

光电器件：激光器、光通信芯片。

七、总结

光刻机是一种利用光学投影原理，把电路图案转移到硅片上的超级精密设备。它是芯片制造的关键工序，决定了芯片的线宽、性能与集成度。