光刻機(jī)是一種用于半導(dǎo)體制造的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是在硅片表面將復(fù)雜的電路圖案精確復(fù)制下來，是芯片制造中精度最高、工藝最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。光刻技術(shù)不僅決定了芯片的線寬尺寸（也就是“納米制程”），還直接影響計(jì)算機(jī)處理器、內(nèi)存、圖像傳感器等的性能。
一、光刻機(jī)的工作原理
光刻機(jī)的基本原理是“光學(xué)曝光”。首先在硅片表面涂布一層光刻膠，然后用高精度的光學(xué)系統(tǒng)將掩模（mask）上的電路圖案通過光照射到光刻膠上。光照后發(fā)生化學(xué)變化的區(qū)域經(jīng)過顯影、蝕刻、去膠等步驟，轉(zhuǎn)移為實(shí)際的圖形，從而實(shí)現(xiàn)圖案轉(zhuǎn)印。
二、光刻技術(shù)的關(guān)鍵組成
光刻機(jī)之所以復(fù)雜，是因?yàn)樗诤狭烁呔裙鈱W(xué)、精密機(jī)械控制、材料科學(xué)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等多個(gè)高科技領(lǐng)域。其核心技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：
1. 光源技術(shù)
深紫外光（DUV）光源：常用波長為248nm（KrF）和193nm（ArF），適用于65nm到7nm工藝。
極紫外光（EUV）光源：波長13.5nm，用于5nm、3nm甚至更先進(jìn)工藝。
EUV光源技術(shù)難度極高，需利用高功率激光轟擊錫靶產(chǎn)生等離子體，進(jìn)而發(fā)出13.5nm光線，同時(shí)還需配合極為復(fù)雜的反射鏡系統(tǒng)。
2. 投影光學(xué)系統(tǒng)
傳統(tǒng)透鏡無法透過EUV波段，因此EUV光刻采用全反射鏡系統(tǒng)，使用多層Mo/Si反射鏡將光線投射到晶圓上。其容忍誤差小于納米，制造難度巨大。
DUV光刻中使用的是高折射率透鏡系統(tǒng)，部分采用浸沒式技術(shù)（通過水提高折射率）。
3. 掩模（Mask）與圖案轉(zhuǎn)印
掩模類似“膠片”，包含電路圖案。當(dāng)前主要使用透射掩模（DUV）或反射掩模（EUV）。制作掩模本身需要極高分辨率的電子束刻寫技術(shù)，并保證無瑕疵。
掩模圖案被“縮小投影”到晶圓表面，通常為4:1縮放。
4. 掃描與對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)
為了實(shí)現(xiàn)超高精度，光刻采用“逐步掃描”（step-and-scan）方式，每次曝光一小塊區(qū)域，再移動(dòng)晶圓進(jìn)行下一塊曝光。這需要納米級(jí)別的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，避免圖案錯(cuò)位。
每塊芯片之間的位置誤差需控制在幾納米以內(nèi)，通常使用激光干涉儀進(jìn)行定位校準(zhǔn)。
5. 光刻膠與化學(xué)反應(yīng)
光刻膠是一種對(duì)特定波長光敏感的高分子材料。曝光后形成“正膠”或“負(fù)膠”反應(yīng)區(qū)域，經(jīng)過顯影劑處理留下圖形結(jié)構(gòu)。
對(duì)于EUV光刻，由于能量高，需研發(fā)更高分辨率、更抗損傷的光刻膠，同時(shí)還需解決“碳污染”等問題。
三、光刻技術(shù)的制程節(jié)點(diǎn)與發(fā)展趨勢
目前，按照芯片工藝發(fā)展階段，光刻技術(shù)大致可分為以下幾代：
光刻制程節(jié)點(diǎn)
193nm DUV：適用于90nm~7nm（結(jié)合多重圖案化）
EUV光刻：適用于7nm~2nm（無需多重曝光）
多重圖案化技術(shù)（Multiple Patterning）
由于DUV無法直接曝光10nm以下圖案，通過多次光刻疊加實(shí)現(xiàn)更小線寬，增加工藝復(fù)雜度。
EUV技術(shù)趨勢
目前用于5nm/3nm芯片制造的EUV設(shè)備，由ASML獨(dú)家供應(yīng)。
未來發(fā)展方向包括High-NA（數(shù)值孔徑更大）EUV光刻，用于實(shí)現(xiàn)1.5nm甚至更小工藝。
四、光刻機(jī)制造的技術(shù)壁壘
1. 極限精度控制
光刻精度需控制在亞納米級(jí)，要求機(jī)械、熱、振動(dòng)控制極其嚴(yán)苛。例如，晶圓臺(tái)在曝光過程中以1米/秒速度移動(dòng)，其路徑誤差要小于1納米。
2. 系統(tǒng)集成復(fù)雜
一臺(tái)高端EUV光刻機(jī)由10萬個(gè)零部件組成，涉及激光系統(tǒng)、光學(xué)、真空腔體、機(jī)器人等高度集成系統(tǒng)，幾乎無法靠單一國家獨(dú)立完成。
3. 研發(fā)投入巨大
EUV光刻單臺(tái)造價(jià)超過1.5億歐元，開發(fā)時(shí)間長達(dá)20年，是當(dāng)代最昂貴的科研與工程項(xiàng)目之一。
五、代表廠商與技術(shù)實(shí)力
目前全球范圍內(nèi)，具備先進(jìn)光刻技術(shù)能力的廠商極少：
ASML（荷蘭）：唯一能制造EUV光刻機(jī)的企業(yè)，幾乎壟斷全球高端市場。
Nikon（日本）、Canon（日本）：主要提供DUV設(shè)備，已退出前沿EUV競爭。
上海微電子（SMEE）：正在研發(fā)90nm~28nm國產(chǎn)光刻機(jī)，尚處于突破階段。
六、總結(jié)
光刻機(jī)的技術(shù)融合了光學(xué)、材料、自動(dòng)控制、機(jī)械、電子、化學(xué)等多個(gè)尖端領(lǐng)域，是半導(dǎo)體制造鏈中最復(fù)雜也是最關(guān)鍵的設(shè)備之一。隨著芯片制程從7nm向3nm、2nm甚至更小的節(jié)點(diǎn)邁進(jìn)，光刻技術(shù)的重要性愈加突出。
