來源：中國科普博覽

核桃雕或許不稀奇，但你能想象在頭髮絲上畫出一個體育館嗎？

《論語》有云：“工欲善其事，必先利其器”。由此可見，好的工具在製造過程中起着關鍵作用。

在前工業時代，人們以人手爲工具，採用手工方式製造各種生產、生活用具。

進入工業時代，機牀代替了人手，完成各種精密元件的加工。

隨着科技的進步，人類進入信息時代，由機牀製造的具有宏觀結構的器件已無法滿足人們對高信息容量的需求，具有微米、納米制造能力的光刻機成爲新時代的製造之王。

製造工具發展 

光刻機，顧名思義，以光爲媒，刻化微納於方寸之間。光刻機能夠利用光作爲媒介，實現各種微米甚至納米圖形加工。目前最先進的光刻機能夠加工的最細線條已經達到13nm。我們人類的頭髮絲直徑在50μm—70μm左右，而利用光刻手段能刻畫出頭髮絲直徑1/5000的線條。古代人類通過手工方式在覈桃上雕刻出一葉扁舟已屬精妙絕倫，而利用信息時代的製造工具光刻機，我們能夠在一根頭髮絲上刻畫出一座足球場。

頭髮絲上的足球場 

 Part。 1

芯片製造之“光”

我們現實生活中用的都是看得見摸得着的東西，光刻機這種“高精尖”的設備是不是曲高和寡，和我們離得很遙遠了？

其實不然，光刻機與我們生活息息相關，已經滲入我們生活的方方面面。我們用的電腦、電視顯示屏之所以能夠顯示出色彩斑斕的各種圖形，得益於光刻機在面板上加工的一個個像素圖形；家用LED等之所以能夠發光，正是源於其上通過光刻手段加工出來的正負級結構；電腦裏面的CPU能夠實現各種快速運算，依靠的是其內部由光刻加工出來的各種微納結構；家用汽車能夠實時感知車內車速、溫度、胎壓等情況，也是利用由光刻機加工出來的各種傳感器。

信息時代，光刻機不僅能夠完成電腦CPU、FPGA等傳統意義上的芯片，而且是平板顯示、LED、傳感器等具有一定功能和一定集成度的“廣義芯片”的主要加工手段。作爲信息時代的製造之王，光刻機所加工的各類“芯片”已經無處不在，無所不能。

 Part。 2

有了光刻機就能夠製造芯片了？還不行

從一個普通的基片到我們最後使用的芯片，要經過“九九八十一難”，包括數百道工藝環節，任何一個環節出錯都將影響最終的芯片質量，而光刻僅僅是其中最爲關鍵的環節之一。就像我們作畫一樣，畫圖很關鍵，但一幅好的作品也需要好的紙張、顏料、剪裁、裝裱等材料和工序的配合。

 Part。 3

“光”說不練假把式：光刻機的工作原理

目前主流光刻機可以分爲接近接觸式、投影式以及直寫式光刻三類，每種光刻機的工作原理各有不同，適用於不同加工場景。

光刻主要類型 

接近接觸式光刻機

該種光刻機在工作過程中具有微納圖形結構的模具（掩模版），與待加工結構表面相互接觸，在紫外光的照射下，將掩模版上的圖形轉移到待加工圖形表面。它的工作原理類似與我們的“手影”遊戲，利用已有的圖形，阻擋光線的傳播，從而形成明暗相間的圖形分佈，結合待加工表面感光膠的感光特性，記錄下我們所需要的圖形。

圖片來源：Veer圖庫

該種方法的特點是設備結構相對簡單，加工效率高，但僅能實現圖形1：1複製，無法進一步縮小，而且能夠加工的最細線條僅在微米量級。

投影式光刻

投影光刻機工作原理類似於照相機（如下圖所示），工作過程中將掩模版（外部影像）通過投影物鏡（透鏡）成像到基片（感光介質表面）。

投影光刻機與照相機對比 

由於投影光刻機採用了投影式的工作方式，掩模與基片不再相互接觸，極大地避免了對掩模或基片的損傷；而且利用投影鏡頭，通過改變其縮小倍率，可以加工出比掩模版圖形更爲細小的結構。

除此以外，投影光刻機具有掃描式成像的曝光能力，工作效率極高。

由於卓越的性能優勢，投影光刻機一直以來都是各類光刻機中的主流，目前GPU、FPGA、LCD等高端芯片均是採用投影光刻機進行加工。

儘管工作原理類似，投影光刻機複雜程度遠遠大於照相機，其內部包含了數十個關鍵分系統（如下圖所示）。工作過程中，各個分系統密切配合，保證在高速工作狀態下，高分辨力（13nm線寬）、高質量圖形加工。最先進的投影光刻機單臺售價高達近10億元，價格反應了該設備的價值和技術含量。

投影光刻機被認爲是半導體制造業皇冠上的明珠，研製難度極大，是人類最高科技水平的體現。全球僅有ASML、Nikon、Canon具備高端投影光刻機量產能力。

投影光刻機結構示意圖 

直寫式光刻機

從以上接近接觸式光刻機、投影式光刻機的介紹中可以看到，這兩種都是採用的“複製”工作模式，都是將掩模上的圖案“複製”到待加工表面。而掩模上的圖案從哪裏來？這就需要用到直寫式光刻機。

直寫式光刻機的工作原理類似於我們寫字，工作過程中，設備通過多種手段，將我們的光束（或者是電子束、離子束）聚焦成類似於我們筆尖的小小一點，然後帶動筆尖或者基片實現兩者之間的相對運動，從而完成任意的圖形加工。

直寫光刻示意 

直寫式光刻機可以完成任意圖形加工，其加工精度極高，能夠加工的最細線條可以達到納米量級。但它在加工過程中，是以點的方式完成圖形加工，工作效率極低，不適用於大批量結構的製備，目前主要用於掩模版的加工。

 Part。 4

光刻機的“光”明未來

光刻機一直以來都在追求更高的信息容量，高分辨力、大面積、三維是它主要的未來發展方向。

在高分辨力方面，我們通過不斷地縮小所採用的光源的波長（EUV光源13.5nm），增強投影物鏡的最小線條成像能力（提高數值孔徑1.3）等方式，不斷縮小能夠加工的最小線寬。然而，這些方式使得我們光刻機的製造難度以及製造成本急劇增加，並且已逐步逼近物理極限。爲了進一步提升分辨力，各種新的光刻方法應運而生，包括表面等離子光刻、納米壓印、多光子光刻等等，這些方法都有可能成爲下一代主流光刻技術。

在大面積方面，大面積光刻機主要應用於顯示產業。爲了使我們用上更大的平板電視，光刻機的加工面積越做越大，液晶面板十代線上的光刻機加工面積達到了2880mm×3130mm，但最小加工線寬僅爲3μm左右。隨着顯示產業的發展，AMOLED、高清顯示等要求小加工線寬的顯示技術的出現，該類設備不再僅以大爲追求目標，如何在大的基礎上減小最小加工線寬，成爲該類光刻設備發展的重要方向。

三維方面，我們在每層圖形加工過程中，都是將其作爲一個平面進行加工。隨着加工最細線寬已經逐步達到物理極限，在橫向平面的潛力已經挖缺殆盡，未來將有可能向縱向發展，通過三維結構代替二維圖形，進一步提高信息容量。

隨着技術的飛速進步，一起期待我們和光刻機的光明未來吧！