在現(xiàn)代芯片制造中，光刻機(jī)是最關(guān)鍵、最復(fù)雜、也是最昂貴的設(shè)備。它的作用是將電路圖案精確地轉(zhuǎn)移到硅片表面，是芯片制造工藝的“心臟”。
一、基本原理
光刻機(jī)的原理與照相機(jī)相似：通過光線將掩膜（Mask）上的電路圖案“曝光”到硅片上的光刻膠層上，再經(jīng)過顯影、刻蝕、去膠等步驟，就能在硅片表面形成微米或納米級的電路結(jié)構(gòu)。
在早期的光刻技術(shù)中，使用的是深紫外光（DUV），波長為193納米。而EUV光刻機(jī)使用的是波長13.5納米的極紫外光，這種光的波長極短，因此能夠刻出遠(yuǎn)小于10納米的線寬，實(shí)現(xiàn)如今7nm、5nm甚至2nm級芯片的制造。
波長越短，光的衍射效應(yīng)越小，圖案轉(zhuǎn)移的精度越高，這就是“短波長決定分辨率”的核心原理。
二、光源系統(tǒng)
EUV光刻機(jī)最核心的部分是它的光源系統(tǒng)。與傳統(tǒng)光刻機(jī)不同，EUV光線無法通過普通燈或激光器產(chǎn)生，它是通過一種“激光等離子體”技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。
具體來說，系統(tǒng)會(huì)噴射出微小的錫（Sn）金屬液滴，每秒上千顆。然后利用高功率CO?激光束照射這些錫滴，使它們瞬間氣化、形成高溫等離子體。在這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生波長為13.5納米的極紫外光。
這種EUV光能量極低，產(chǎn)生效率只有不到1%，因此整個(gè)光源系統(tǒng)需要在高真空環(huán)境下工作，并使用復(fù)雜的多層反射鏡將這些微弱的光線匯聚成穩(wěn)定、可控的光束。
三、光學(xué)系統(tǒng)
由于EUV光的波長極短，它不能通過玻璃透鏡（因?yàn)?3.5nm的光會(huì)被吸收），所以EUV光刻機(jī)完全放棄了透射光學(xué)系統(tǒng)，全部使用反射鏡光學(xué)系統(tǒng)。
整機(jī)內(nèi)部共有6到8個(gè)高精度反射鏡，每個(gè)鏡面由多層莫/硅材料交替鍍膜組成，能在13.5納米波段實(shí)現(xiàn)約70%的反射率。
這些鏡子由蔡司（Zeiss）制造，表面平整度誤差僅在原子級別（小于0.25納米）。光線經(jīng)過多次反射后被聚焦到掩膜上，再從掩膜反射到硅片表面。整個(gè)光路的幾何精度必須保持在幾納米以內(nèi)，否則就會(huì)導(dǎo)致電路圖案失真。
四、掩膜與投影
掩膜（Mask）就像芯片設(shè)計(jì)的底片，上面印有電路圖案。EUV光照射掩膜后，圖案通過反射的方式轉(zhuǎn)移到硅片上的光刻膠層。
不同于可見光光刻機(jī)使用的透射掩膜，EUV采用的是反射掩膜。掩膜表面由幾十層反射涂層構(gòu)成，每層厚度控制在納米級。光經(jīng)過掩膜后，部分能量被吸收，部分被反射到硅片上。
掩膜與硅片之間的圖案對準(zhǔn)（也稱為“對位”）由極高精度的干涉測量系統(tǒng)控制。ASML的EUV光刻機(jī)在曝光時(shí)的對準(zhǔn)誤差小于1納米，這相當(dāng)于一根頭發(fā)直徑的十萬分之一。
五、真空系統(tǒng)
EUV光在空氣中幾乎無法傳播，會(huì)被氣體完全吸收，因此整臺EUV光刻機(jī)必須在高真空腔體中運(yùn)行。
從光源、光路、掩膜到晶圓臺，都被封裝在真空艙內(nèi)。設(shè)備的真空度可達(dá)到10??帕級別，這樣EUV光才能順利傳輸并保持能量穩(wěn)定。
六、晶圓臺與對位控制
EUV光刻機(jī)的晶圓臺系統(tǒng)極為復(fù)雜，它需要以極高速度和極高精度移動(dòng)。一個(gè)晶圓在曝光時(shí)，平臺會(huì)以每秒數(shù)百毫米的速度移動(dòng)，而位置誤差必須小于1納米。
為了達(dá)到這種精度，平臺使用磁懸浮系統(tǒng)支撐，利用干涉儀和激光測距系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋控制。這一系統(tǒng)由ASML與德國的蔡司公司聯(lián)合開發(fā)，是整機(jī)最關(guān)鍵的機(jī)械控制部分之一。
七、技術(shù)難點(diǎn)與意義
EUV光刻機(jī)之所以成為目前全球最先進(jìn)、最昂貴的設(shè)備（單臺價(jià)格高達(dá)2億美元以上），是因?yàn)樗狭耸澜缟献顝?fù)雜的光學(xué)、機(jī)械、真空、激光與控制技術(shù)。
主要技術(shù)難點(diǎn)包括：
EUV光源效率極低，需要上百千瓦激光才能產(chǎn)生可用光束。
鏡面反射損失大，每經(jīng)過一次反射光強(qiáng)就下降30%。
掩膜缺陷難以檢測，容易造成芯片缺陷。
真空環(huán)境極為嚴(yán)苛，任何微粒都可能造成污染。
然而，正是因?yàn)檫@些突破，EUV光刻機(jī)才使得5nm、3nm甚至2nm芯片成為可能。它是推動(dòng)摩爾定律繼續(xù)前進(jìn)的核心裝備。
八、總結(jié)
目前最先進(jìn)的光刻機(jī)——ASML的EUV光刻機(jī)，通過13.5納米極紫外光實(shí)現(xiàn)超高分辨率曝光。它利用錫激光等離子體產(chǎn)生光源，以多層反射鏡系統(tǒng)取代傳統(tǒng)透鏡，結(jié)合真空環(huán)境、高精度平臺與反射掩膜，實(shí)現(xiàn)了納米級圖案轉(zhuǎn)移。
