光刻機(jī)是芯片制造中最核心的設(shè)備，被譽(yù)為“芯片制造的心臟”。它的任務(wù)是把設(shè)計好的電路圖案精確地“印”在硅片表面，讓一塊普通的硅變成擁有數(shù)十億個晶體管的智能芯片。
一、基本原理：光刻就是“微型印刷”
光刻的核心思想與照相類似：用光把掩膜（也叫光罩）上的電路圖案投影到涂有光敏材料的硅片上。硅片表面先涂上一層“光刻膠”（photoresist），它能對光線產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。光刻機(jī)通過照射特定波長的光，讓光刻膠的曝光區(qū)域性質(zhì)改變，然后用顯影液將曝光和未曝光的部分洗去，形成所需的電路圖案。
這就像在照片底片上曝光再顯影，只不過芯片上的圖案比照片復(fù)雜得多，精度要求高到納米級。通過重復(fù)幾十次光刻、刻蝕、沉積、拋光等工藝，就能在硅片上“堆疊”出上百層電路結(jié)構(gòu)，最終形成CPU或存儲芯片。
二、關(guān)鍵環(huán)節(jié)：從掩膜到硅片
整個光刻過程主要包括以下幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：
掩膜（Mask）制作
掩膜是一塊印有電路圖案的石英玻璃片，上面鍍有不透明的鉻層。它相當(dāng)于芯片的“藍(lán)圖”，光刻機(jī)要將掩膜上的圖案一層層復(fù)制到硅片上。
光刻膠涂覆
硅片清洗干凈后，會通過旋涂機(jī)在表面均勻涂上一層幾百納米厚的光刻膠。光刻膠對不同波長的光具有敏感反應(yīng)性。
曝光
光刻機(jī)利用深紫外光（DUV，193nm）或極紫外光（EUV，13.5nm）照射掩膜。掩膜將光線按電路形狀投射到光刻膠上，完成圖案轉(zhuǎn)移。
顯影
曝光后，硅片被送入顯影機(jī)。顯影液會把曝光的部分溶解掉（對于正性光刻膠）或保留下來（對于負(fù)性光刻膠），留下對應(yīng)電路圖案的結(jié)構(gòu)。
刻蝕與去膠
顯影后的光刻膠圖案被用作掩膜，通過化學(xué)刻蝕或離子轟擊將圖案轉(zhuǎn)移到硅層或金屬層中。刻蝕完后去除光刻膠，一層電路結(jié)構(gòu)就完成了。
三、光刻機(jī)的核心技術(shù)
光刻機(jī)之所以被稱為人類制造史上最復(fù)雜的機(jī)器，是因為要在一塊20厘米的硅片上精確“印”下數(shù)十億個晶體管，每個晶體管的尺寸只有幾納米。這要求光刻機(jī)的光學(xué)、機(jī)械和控制系統(tǒng)都達(dá)到極致。
光源系統(tǒng)
光刻機(jī)的光源決定了分辨率。波長越短，圖案越小。
傳統(tǒng)光刻機(jī)使用193納米的深紫外光（ArF激光）。
最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)使用13.5納米的極紫外光，能實現(xiàn)5nm甚至2nm制程。
這種EUV光源是通過高能激光打在錫液滴上產(chǎn)生等離子體，從而發(fā)出13.5nm光線。
投影光學(xué)系統(tǒng)
光刻機(jī)通過高精度透鏡或反射鏡把掩膜圖案縮小并投射到硅片上。EUV光刻機(jī)使用全反射鏡系統(tǒng)，因為13.5nm光無法通過玻璃。每個鏡面的平整度需達(dá)到0.1納米級，否則圖案會失真。
晶圓臺與對準(zhǔn)系統(tǒng)
光刻機(jī)內(nèi)部的晶圓臺負(fù)責(zé)高速移動硅片，并與掩膜的圖案精準(zhǔn)對位。
它采用磁懸浮系統(tǒng)支撐，通過激光干涉儀實時檢測位置誤差。
對位精度控制在±1納米以內(nèi)，相當(dāng)于一根頭發(fā)直徑的十萬分之一。
真空系統(tǒng)
EUV光在空氣中會被完全吸收，因此整臺EUV光刻機(jī)必須在高真空環(huán)境中運(yùn)行，所有光路、掩膜和晶圓都在真空艙內(nèi)完成。
四、圖案縮小與疊加
在曝光過程中，掩膜上的電路圖案會被縮小4倍或5倍后投射到硅片上。例如，掩膜上的線寬是40納米，最終在芯片上形成的線寬可能只有10納米。
芯片制造需要幾十層電路結(jié)構(gòu)，每層都必須與下層圖案精確對齊，這稱為“疊加對準(zhǔn)”（overlay）。ASML最先進(jìn)的光刻機(jī)疊加誤差控制在1納米以內(nèi)，否則芯片無法正常工作。
五、重復(fù)制造：層層堆疊出芯片
光刻并非只進(jìn)行一次。一個高性能處理器要經(jīng)過數(shù)十次光刻和刻蝕。
比如：
第一層：繪制晶體管柵極；
第二層：形成接觸孔；
第三層：刻出金屬互連；
之后還要重復(fù)幾十次金屬層和絕緣層的光刻。
每完成一層，晶圓都要回到光刻機(jī)重新對準(zhǔn)、曝光、顯影。最終幾十層疊加在一起，形成復(fù)雜的三維微電路結(jié)構(gòu)。
六、光刻機(jī)在芯片中的地位
可以說，沒有光刻機(jī)，就不可能制造出現(xiàn)代芯片。
它是將設(shè)計轉(zhuǎn)化為實體電路的唯一關(guān)鍵設(shè)備；
它決定了芯片的最小線寬，也就是“制程節(jié)點(diǎn)”（如7nm、5nm、3nm）；
它的性能直接決定一家晶圓廠的技術(shù)水平。
目前，全球只有荷蘭ASML能制造EUV光刻機(jī)，是臺積電、三星、英特爾等先進(jìn)工藝芯片生產(chǎn)線的核心裝備。
七、總結(jié)
光刻機(jī)做芯片的原理，是利用高能光源通過掩膜把電路圖案精確曝光到硅片上，再通過顯影、刻蝕和多層疊加形成納米級電路。
