光刻機是現(xiàn)代半導(dǎo)體制造中最核心、最復(fù)雜的設(shè)備之一，它的任務(wù)是將芯片設(shè)計圖案精確地轉(zhuǎn)印到硅晶圓表面的光刻膠上，從而形成集成電路的微觀結(jié)構(gòu)。

一、光刻機的總體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代光刻機主要由以下幾個核心部分組成：

光源系統(tǒng)（Illumination System）

掩模臺與掩模（Mask/Reticle System）

投影物鏡系統(tǒng)（Projection Optics System）

晶圓臺與晶圓（Wafer Stage System）

對準與測量系統(tǒng)（Alignment and Metrology System）

控制與環(huán)境系統(tǒng)（Control & Environment System）

這些部分協(xié)同工作，共同完成光刻圖案的精準曝光。

二、光刻機內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與功能

1. 光源系統(tǒng)

光源是光刻機的“心臟”。

在早期的光刻機中，主要使用汞燈（g線436 nm、i線365 nm）；后來的深紫外（DUV）光刻機則采用氟化氪（KrF, 248 nm）或氟化氬（ArF, 193 nm）激光；而最先進的極紫外（EUV）光刻機使用波長為13.5 nm的等離子體光源。

光源系統(tǒng)的作用是提供穩(wěn)定、均勻的光照強度，并通過光闌和整形光學元件將光束均勻分布到掩模上。它包含：

激光發(fā)生器或等離子體發(fā)生腔；

光整形反射鏡系統(tǒng)；

均勻化照明組件；

光強控制與反饋模塊。

其設(shè)計目標是保證照明均勻度達到±1%以內(nèi)，否則曝光圖案會出現(xiàn)線寬不均的問題。

2. 掩模臺與掩模（Reticle System）

掩模（又稱光罩）上刻有芯片電路的原始圖案，相當于“底片”。

在曝光過程中，光源發(fā)出的光經(jīng)過光學系統(tǒng)照射在掩模上，掩模上透明與不透明區(qū)域控制光線的通過，從而形成電路圖案的光學投影。

掩模臺的作用是：

精確固定掩模；

在掃描式光刻機中與晶圓臺同步移動，實現(xiàn)步進或掃描曝光。

掩模通常采用高純度石英玻璃制作，并鍍上鉻層形成遮光圖案。其位置精度需達到納米級別。

3. 投影物鏡系統(tǒng)（Projection Lens System）

投影物鏡系統(tǒng)是光刻機最核心的部分，相當于相機的鏡頭。它負責將掩模上的圖案以縮小比例（通常為1/4或1/5）投影到涂有光刻膠的硅晶圓表面。

這個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，由多組高純度光學鏡片組成，鏡片之間需嚴格控制位置與曲率。投影物鏡系統(tǒng)決定了光刻的解析度（即最小線寬）。

光學設(shè)計遵循阿貝成像原理，解析度與波長 λ 及數(shù)值孔徑 NA 成反比，因此短波長與高NA的系統(tǒng)能獲得更高分辨率。

在EUV光刻中，傳統(tǒng)透鏡無法使用，改為使用多層膜反射鏡系統(tǒng)，每層厚度控制在納米級，利用反射實現(xiàn)聚焦與成像。

4. 晶圓臺與晶圓系統(tǒng)（Wafer Stage）

晶圓臺是光刻機的“基礎(chǔ)平臺”，承載待曝光的硅晶圓。

在曝光過程中，晶圓臺需實現(xiàn)極高速、高精度的二維運動，保證掩模圖案與晶圓位置完全同步。

它的主要功能包括：

精確定位晶圓；

以納米級精度控制移動路徑；

吸附固定晶圓，防止振動；

維持恒溫（通常在23±0.01℃）。

為了達到亞納米級精度，晶圓臺通常采用磁懸浮驅(qū)動系統(tǒng)，無機械接觸、無摩擦，可實現(xiàn)極高的平穩(wěn)性。

此外，晶圓表面還需通過真空吸附與空氣浮動技術(shù)保持平整度。

5. 對準與測量系統(tǒng)（Alignment & Metrology）

光刻機的對準系統(tǒng)負責將掩模圖案與晶圓上已有層的圖案精確對齊。

現(xiàn)代芯片有上百層結(jié)構(gòu)，每一層的對位誤差必須控制在幾納米以內(nèi)，否則電路連接會出現(xiàn)錯位。

對準系統(tǒng)利用激光干涉、相位檢測與圖像識別技術(shù)，通過測量掩模與晶圓上的對準標記，實現(xiàn)自動對焦與精確定位。

在EUV光刻機中，還引入了“多層反射干涉對位系統(tǒng)”，以保證在真空環(huán)境下的精度。

6. 控制與環(huán)境系統(tǒng)

光刻機對工作環(huán)境要求極高，需在恒溫、恒濕、無塵（Class 1級）條件下運行。

控制系統(tǒng)包括：

運動控制單元（控制晶圓臺和掩模臺）；

光學控制單元（調(diào)節(jié)光強與波前）；

反饋系統(tǒng)（實時監(jiān)控曝光參數(shù)）。

此外，EUV光刻機需要在超高真空環(huán)境中運行（10?? Pa級），以防止13.5 nm光線被空氣吸收。

因此整機內(nèi)含多級真空腔體、冷卻系統(tǒng)及防震結(jié)構(gòu)，體積巨大、重量超過180噸。

三、光刻機的工作原理總結(jié)

光刻機的核心原理是“光學投影縮小成像”。

簡而言之，就是利用光源通過掩模投影出電路圖案，經(jīng)由高精度光學系統(tǒng)縮小并投射到涂有光刻膠的晶圓表面。曝光后，光刻膠在顯影過程中表現(xiàn)出溶解差異，從而在晶圓上形成電路圖案。之后經(jīng)過刻蝕、沉積、拋光等工藝，逐步形成芯片的晶體管與連線結(jié)構(gòu)。

四、總結(jié)

光刻機的內(nèi)部構(gòu)造是人類工程史上的巔峰之一。它集成了極高精度的光學、機械、電子、氣動與控制系統(tǒng)，任何微小誤差都可能導(dǎo)致數(shù)十萬美元的晶圓報廢。從光源發(fā)射到圖像投射，每個環(huán)節(jié)都經(jīng)過納米級控制。其原理雖類似照相機，但精度和復(fù)雜度高出數(shù)百萬倍。