光刻機(jī)（Lithography Machine），又稱光刻系統(tǒng)，是半導(dǎo)體制造中最核心的設(shè)備之一。它的主要任務(wù)是將電路圖形從掩模（mask 或 reticle）轉(zhuǎn)移到硅片（wafer）上的光刻膠層，從而逐層構(gòu)建微電子芯片的結(jié)構(gòu)。
一、光刻的基本原理
光刻機(jī)的工作流程可分為以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：
涂膠（Coating）
在硅片表面旋涂一層光刻膠（photoresist）。光刻膠是一種對光敏感的高分子材料，可以在特定波長光照射下發(fā)生化學(xué)變化。
對準(zhǔn)（Alignment）
硅片上的圖形往往是多層疊加形成的，光刻機(jī)必須通過高精度的對準(zhǔn)系統(tǒng)，將掩模上的圖形與硅片上已有結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確重合。對準(zhǔn)精度通常要求在納米級別。
曝光（Exposure）
通過投影光學(xué)系統(tǒng)，把掩模上的電路圖形縮小后投射到光刻膠上。根據(jù)光刻膠的類型，曝光區(qū)域會變得可溶或不可溶。
正性光刻膠：曝光區(qū)域變可溶，顯影后被溶掉。
負(fù)性光刻膠：曝光區(qū)域變不可溶，未曝光部分被溶掉。
顯影（Developing）
用顯影液清洗光刻膠，得到期望的圖案。隨后再通過刻蝕、沉積等工序，將圖案轉(zhuǎn)移到硅片材料層中。
這個(gè)過程需要反復(fù)進(jìn)行幾十至上百次，每次完成一個(gè)電路層的制造，最終形成包含數(shù)十億晶體管的芯片。
二、光刻機(jī)的分類
根據(jù)所用光源波長不同，光刻機(jī)可分為以下幾類：
紫外光刻機(jī)（UV Lithography）
早期的光刻使用 g-line（436 nm）和 i-line（365 nm）汞燈光源，適合生產(chǎn)微米級工藝。
后來發(fā)展到 深紫外光（DUV，248 nm、193 nm），使用 KrF（氟化氪）或 ArF（氟化氬）準(zhǔn)分子激光器，可支持 90 nm、65 nm 等制程。
浸沒式光刻（Immersion Lithography）
在硅片與投影鏡頭之間加入一層高折射率的水，使數(shù)值孔徑（NA）提高，從而分辨率提升。浸沒式 ArF 光刻是目前先進(jìn) DUV 工藝的主力。
極紫外光刻機(jī)（EUV Lithography）
使用 13.5 nm 極紫外光，波長大幅縮短，可支持 7 nm、5 nm、3 nm 甚至更小節(jié)點(diǎn)。
EUV 光刻機(jī)的核心挑戰(zhàn)包括光源強(qiáng)度不足、反射鏡精度要求極高、真空系統(tǒng)復(fù)雜等。
目前全球只有荷蘭 ASML 能量產(chǎn) EUV 光刻機(jī)。
三、光刻機(jī)的核心組成
一臺現(xiàn)代光刻機(jī)價(jià)格可達(dá) 1.5 億美元以上，內(nèi)部包含數(shù)十萬個(gè)零部件。其核心模塊主要有：
光源系統(tǒng)
提供特定波長和強(qiáng)度的光。DUV 使用激光器，EUV 使用激光打擊錫靶產(chǎn)生等離子體。
掩模臺與掩模（Mask/Reticle）
掩模是電路圖形的載體，掩模臺負(fù)責(zé)固定和移動掩模，保證圖像投射穩(wěn)定。
投影光學(xué)系統(tǒng)
由超高精度透鏡或反射鏡組成，將掩模上的圖像按一定比例（通常 4:1 或 5:1 縮小）投射到硅片上。
EUV 因?yàn)椴牧蠈?13.5 nm 光幾乎不透明，所以只能用多層反射鏡（Mo/Si 多層膜）。
硅片臺（Wafer Stage）
硅片在曝光時(shí)要高速移動，且定位精度達(dá)到納米級。臺面常用氣浮方式減小摩擦。
控制與檢測系統(tǒng)
包括對準(zhǔn)檢測、焦距控制、振動補(bǔ)償?shù)龋蕾嚬鈱W(xué)、機(jī)械和電子多學(xué)科融合。
四、光刻機(jī)的重要性與應(yīng)用
芯片制造核心環(huán)節(jié)
光刻決定了電路最小特征尺寸，直接影響芯片的運(yùn)算速度、功耗和成本。
科研與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用
除了半導(dǎo)體芯片，光刻技術(shù)還用于制造微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、光子器件、生物芯片等。
五、未來發(fā)展方向
High-NA EUV
新一代 EUV 光刻機(jī)的數(shù)值孔徑提高到 0.55，分辨率進(jìn)一步提升，可支持 2 nm 甚至更小工藝。
多重圖形化（Multiple Patterning）
在沒有 EUV 的情況下，仍可通過多次曝光與刻蝕疊加來實(shí)現(xiàn)更小尺寸，但工藝復(fù)雜、成本高。
新型光刻方式
電子束直寫（EBL）：精度極高，但速度慢，主要用于掩模制作或科研。
納米壓印光刻（NIL）：通過物理壓模方式復(fù)制納米結(jié)構(gòu)，有望在某些領(lǐng)域替代傳統(tǒng)光刻。
總結(jié)
光刻機(jī)（Lithography）是半導(dǎo)體制造的核心裝備，其原理是通過光學(xué)投影將電路圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。隨著波長不斷縮短，從紫外到極紫外，分辨率持續(xù)提升，使芯片工藝節(jié)點(diǎn)從微米級走向納米級?，F(xiàn)代光刻機(jī)集成了光學(xué)、精密機(jī)械、材料科學(xué)、控制工程等多學(xué)科技術(shù)，被譽(yù)為“人類工業(yè)皇冠上的明珠”。
