无数的光子穿过一片又一片的光学透镜，汇聚在小小的底板上，底板上的化学物质被光激发，产生美妙而精确的化学反应，将永恒的印迹留下……
你以为上面那段文字是在描述胶片相机？不不不，我只是简单的陈述光刻机内所进行的曝光过程罢了。
一 光刻机内部的进程
在长长的芯片流水线上，光刻机只是其中的一个组成部分，在光刻机内部每时每刻都在进行着曝光的过程。
简单来说，曝光的过程就是光源发出光，照射在掩模上，然后掩模上的图形投影到晶圆表面（表面涂有光刻胶），激发光化学反应。
早期的光刻机是接触式曝光，掩模直接与晶圆接触；而随着技术进步，曝光也由接触式发展到步进-扫描式。
显然，接触式曝光是把掩模上的图形1/1投影到晶圆表面的。一切看似是那么美，数学、光学与化学的完美结合，打造出最精密的艺术品。但光鲜的局面下，却早已埋下危机……
首先是掩模与晶圆直接接触，很容易造成掩模的污染和损坏。毕竟精密的高透光石英玻璃，在沾染化学试剂之后，就失去了它耀眼的光芒。试想一下，每次光刻都需花费数十万美元去重新定做那一块小小的石英玻璃板，平摊到最后的成品——芯片上，将是多么昂贵的成本啊！
老板，你也不希望你的Fab需要消耗那么多掩模罢（
聪明的工程师很快就想出了解决办法：掩模与晶圆直接留一个几微米的缝隙，就不会沾染化学试剂了。
第一个问题轻而易举的被解决，但是第二个问题是如此的棘手，以至于最卓越的工程师也无能为力。
这个问题就像笼罩着光刻大厦的乌云，看似虚无缥缈，但让人无法忽视。因为在未来的某一时刻，它会毫不留情的跳出来，拦住光刻工艺前进的步伐。
就好像光速c=299792458m/s、万有引力常数G=6.6710（-11）m³/（kg s²）、普朗克常量h＝6.62610^（-34）J s，是无法突破的定律！
随着集成电路器件尺寸不断缩小，第二个问题不得不引起工程师们的注意了：
随着集成电路器件的不断缩小，要按照1:1的比例制作掩模越来越难了！你很难把那么小的图形印在掩模上。
大佬kurnal的指教是那么多振聋发聩：“机台造不出比母机台更细的机台！”
既然接触式曝光遇到难以逾越的障碍，那就换个思路吧。山重水复疑无路，柳暗花明又一村。之后就是步进-扫描式曝光大放异彩的故事了。
二 光刻机工作原理
1.步进-扫描式曝光
首先大家需要明白，一片晶圆不是曝光一次就换下一片晶圆（和拍证件照不一样，不是拍一张就换一个人）光刻机的投影面积只有26mm*33mm，但晶圆的尺寸直径是8英寸或者12英寸晶圆。所以掩模需要移动到不同的位置，对相应的网格（grid）进行曝光上那么多区域，需要多次曝光。就好像小学生的练字本，需要把每一个格子里的字写好，才能拿到高分。
现如今的光刻机一般采用步进-扫描式曝光，曝光系统通过一个狭缝照射在掩模上，而载有掩模的工件台在狭缝下方沿某个方向移动。
在曝光扫描结束之后，曝光系统步进式移动到下一个位置。文字表述略显单薄，下面还请各位看图。
2 曝光流程
让我们回到晶圆旅程的起点吧，光滑的高纯硅片进入匀胶显影机，经过涂胶和烘烤后被传送到光刻机内部，安静的躺在晶圆工件台上。与此同时，掩模也被放置在掩模工件台上。晶圆对准系统与掩模对准系统调整位置，开始对准工作。之后的过程似乎有些无聊，不过是聚焦、曝光罢了。但看似重复、机械的过程，却是光影艺术的集中体现。
经过18秒的曝光之后，高纯硅片悄然发生了些许变化，晶圆表面不再是整齐排列单纯的硅原子了。原子排布发生了翻天覆地的变化，晶体管就这样显现在硅的表层。这一张披萨饼大小的圆盘，看似还是硅片，但内部却是沧海桑田，不再是简单的硅片了。
3 曝光工作文件的设定
曝光的过程绝对精妙绝伦，堪称艺术。但在半导体行业内，恐怕没有“光刻仙人”、“光刻工匠”这类说法吧？只有精密的模型构建，只有精巧的光路设计，只有精确的数学计算，只有精准的光路调节……
也许一些老师傅手工制作的精密零件，要比数控车床切削出的部件更加精确；但这是晶体管！已经超出了人类手工打磨的范围！做出尽可能小、尽可能多的晶体管，不能指望工作多年的工程师透过显微镜去手搓晶体管，只能依靠完美的曝光工作文件。之后就是光刻机的控制系统依照文件进行工作了，一切都是那么的程序化、标准化，完美无缺。
曝光文件内容丰富，牵扯到曝光的方方面面：曝光区域的设定，曝光的能量和光照条件，如何对准晶圆，如何进行修正……而这，就是光刻！
简而言之，曝光文件内容有以下几点：
- 一般曝光信息，提供晶圆类型和缺口形状参数等信息；
- 成像信息，使用哪一层的何种对准标记来对准以及对准标记的坐标；
- 曝光区域在晶圆的分布（因为晶圆的边界1-3mm是没有光刻胶的）；
- 光刻层曝光设置，包括光照条件、数值孔径NA、曝光能量以及聚焦出现异常情况的监控；
- 掩模信息，提供掩模ID以及对应的光刻层的名称；
- 对准方法，哪些标记用于粗对准，哪些用于精细对准，以及它们的位置。
除此之外，ASML的光刻机还需要设置各类子程序，用于某些特殊功能。
三 光源及光路设计
1 光源
I-线（365nm波长）以上的光刻机使用高压汞灯，高压汞灯能提供254-579nm波长的光，使用滤波器之后可以分出I-线（365nm）、H-线（405mm）以及G-线（436nm）等不同波长的光线。
而KrF（248nm波长）和ArF（193nm波长）光刻机使用的光源则是准分子激光器。
在准分子激光器内部，稀有气体分子（Kr、Ar）在电场和高压环境下，与卤素（F₂、Cl₂）发生反应，形成不稳定的分子。可高贵的稀有气体，又怎能轻易与别的分子牵手？在高压逼迫下的合作，迟早会迎来分道扬镳的那一天。
就这样，处于激发态的准分子裂解了，再度回到基态，变回了稀有气体分子和卤素分子。而这一跃迁过程产生的能量，以DUV光子的形式释放出来，照亮集成电路的天空。
2 光路设计
光源产生DUV，照射在掩模上。从掩模到晶圆表面，这中间需要经过极为复杂的光路，即投影光路。
投影光路设计主要有两大类：折射式设计与反射式设计，后者主要用于EUV，暂且按下不表。
光路设计有两个方向：增大NA，但是干式光刻机的NA值止步于0.93；减小像差，目前的光刻机投影系统像差只有0.5nm。
看了上面的图，我们可以简单总结一下，光刻机的镜头原理与相机镜头是类似的！（狗头
不过浸没式光刻机的光路设计与干式光刻机的设计也存在差别，这里简要说明一下：
浸没式采用折射与反射结合的光路设计，目的是为了减少光学镜片的数量，控制像差和热效应（激光会加热玻璃导致形变），实现高达1.35的NA。
除此之外，浸没式光刻机也有一些有意思的创新点。需要说明的是，浸没式不是把晶圆泡在水里，而是在晶圆曝光区域与光刻机的透镜中间充满水。通过一些特殊设计，保证了水能够随着步进-扫描运动而运动，且不会泄露。
这一部分内容由于本人才疏学浅，就不过多叙述，权当抛砖引玉，还望各位大佬不吝赐教。
最后是一些大家关心的问题
Q：DUV光刻机能否做5nm？
A：理论上可行，但是此前没有人这么做。如果要做，需要构建新的数学模型。很重要的一点，SAQP会降低良率、提升成本。
Q：ASML会远程锁机吗？
A：没有听说这种说法。光刻机的曝光文件以及芯片设计版图GDS都是高度机密的，所以光刻机不会连接互联网，只连接内部局域网，应该不会远程控制锁机。
Q：可以不通过ASML来进行光刻机的售后吗？
A：不行，光刻机是非常复杂的系统。数学模型、子系统设计思路都不为外人所知，擅自维修会无从下手，更会损坏设备。因此每日、每月、每年的维护都离不开生产商。
Q：荷兰准许ASML对华出口NXT1980Di、2000i和2050i，是否表明我们同等水平的光刻机已经交付？
A：没有相关消息。十年前我们很多东西做不了，但我们依然可以进口Windows+Intel+Nvidia……所以，各位自行推断，每个人都有自己的看法，不是吗？
