头发丝上画足球场？让光刻机给你上一课

　　核桃雕或许不稀奇，但你能想象在头发丝上画出一个体育馆吗？

　　《论语》有云：“工欲善其事，必先利其器”。由此可见，好的工具在制造过程中起着关键作用。

　　在前工业时代，人们以人手为工具，采用手工方式制造各种生产、生活用具。

　　进入工业时代，机床代替了人手，完成各种精密元件的加工。

　　随着科技的进步，人类进入信息时代，由机床制造的具有宏观结构的器件已无法满足人们对高信息容量的需求，具有微米、纳米制造能力的光刻机成为新时代的制造之王。

　　制造工具发展 图源：作者自制

　　光刻机，顾名思义，以光为媒，刻化微纳于方寸之间。光刻机能够利用光作为媒介，实现各种微米甚至纳米图形加工。目前最先进的光刻机能够加工的最细线条已经达到13nm。我们人类的头发丝直径在50μm—70μm左右，而利用光刻手段能刻画出头发丝直径1/5000的线条。古代人类通过手工方式在核桃上雕刻出一叶扁舟已属精妙绝伦，而利用信息时代的制造工具光刻机，我们能够在一根头发丝上刻画出一座足球场。

　　头发丝上的足球场 图源：[1]沈海军,时东路,赵鹏,王祎龙.发丝表面艺术及其创作[J].艺术科技,2011(02):24-27.

　　芯片制造之“光”

　　我们现实生活中用的都是看得见摸得着的东西，光刻机这种“高精尖”的设备是不是曲高和寡，和我们离得很遥远了？

　　其实不然，光刻机与我们生活息息相关，已经渗入我们生活的方方面面。我们用的电脑、电视显示屏之所以能够显示出色彩斑斓的各种图形，得益于光刻机在面板上加工的一个个像素图形；家用LED等之所以能够发光，正是源于其上通过光刻手段加工出来的正负级结构；电脑里面的CPU能够实现各种快速运算，依靠的是其内部由光刻加工出来的各种微纳结构；家用汽车能够实时感知车内车速、温度、胎压等情况，也是利用由光刻机加工出来的各种传感器。

　　信息时代，光刻机不仅能够完成电脑CPU、FPGA等传统意义上的芯片，而且是平板显示、LED、传感器等具有一定功能和一定集成度的“广义芯片”的主要加工手段。作为信息时代的制造之王，光刻机所加工的各类“芯片”已经无处不在，无所不能。

　　是不是有了光刻机就能够制造芯片了？还不行。

　　从一个普通的基片到我们最后使用的芯片，要经过“九九八十一难”，包括数百道工艺环节，任何一个环节出错都将影响最终的芯片质量，而光刻仅仅是其中最为关键的环节之一。就像我们作画一样，画图很关键，但一幅好的作品也需要好的纸张、颜料、剪裁、装裱等材料和工序的配合。

　　“光”说不练假把式：光刻机的工作原理

　　目前主流光刻机可以分为接近接触式、投影式以及直写式光刻三类，每种光刻机的工作原理各有不同，适用于不同加工场景。

　　光刻主要类型 图源：作者自制

      ·接近接触式光刻机

      该种光刻机在工作过程中具有微纳图形结构的模具（掩模版），与待加工结构表面相互接触，在紫外光的照射下，将掩模版上的图形转移到待加工图形表面。它的工作原理类似与我们的“手影”游戏，利用已有的图形，阻挡光线的传播，从而形成明暗相间的图形分布，结合待加工表面感光胶的感光特性，记录下我们所需要的图形。

　　图片来源：Veer图库

　　该种方法的特点是设备结构相对简单，加工效率高，但仅能实现图形1：1复制，无法进一步缩小，而且能够加工的最细线条仅在微米量级。

　　·投影式光刻

    投影光刻机工作原理类似于照相机（如下图所示），工作过程中将掩模版（外部影像）通过投影物镜（透镜）成像到基片（感光介质表面）。

　　投影光刻机与照相机对比 图源：作者自制

　　由于投影光刻机采用了投影式的工作方式，掩模与基片不再相互接触，极大地避免了对掩模或基片的损伤；而且利用投影镜头，通过改变其缩小倍率，可以加工出比掩模版图形更为细小的结构。

　　除此以外，投影光刻机具有扫描式成像的曝光能力，工作效率极高。

　　由于卓越的性能优势，投影光刻机一直以来都是各类光刻机中的主流，目前GPU、FPGA、LCD等高端芯片均是采用投影光刻机进行加工。

　　尽管工作原理类似，投影光刻机复杂程度远远大于照相机，其内部包含了数十个关键分系统（如下图所示）。工作过程中，各个分系统密切配合，保证在高速工作状态下，高分辨力（13nm线宽）、高质量图形加工。最先进的投影光刻机单台售价高达近10亿元，价格反应了该设备的价值和技术含量。

　　投影光刻机被认为是半导体制造业皇冠上的明珠，研制难度极大，是人类最高科技水平的体现。全球仅有ASML、Nikon、Canon具备高端投影光刻机量产能力。

　　投影光刻机结构示意图 图源：ASML官网

　　·直写式光刻机

    从以上接近接触式光刻机、投影式光刻机的介绍中可以看到，这两种都是采用的“复制”工作模式，都是将掩模上的图案“复制”到待加工表面。而掩模上的图案从哪里来？这就需要用到直写式光刻机。

　　直写式光刻机的工作原理类似于我们写字，工作过程中，设备通过多种手段，将我们的光束（或者是电子束、离子束）聚焦成类似于我们笔尖的小小一点，然后带动笔尖或者基片实现两者之间的相对运动，从而完成任意的图形加工。

　　直写光刻示意 图源：Veer图库

　　直写式光刻机可以完成任意图形加工，其加工精度极高，能够加工的最细线条可以达到纳米量级。但它在加工过程中，是以点的方式完成图形加工，工作效率极低，不适用于大批量结构的制备，目前主要用于掩模版的加工。

　　光刻机的“光”明未来

　　光刻机一直以来都在追求更高的信息容量，高分辨力、大面积、三维是它主要的未来发展方向。

　　在高分辨力方面，我们通过不断地缩小所采用的光源的波长（EUV光源13.5nm），增强投影物镜的最小线条成像能力（提高数值孔径1.3）等方式，不断缩小能够加工的最小线宽。然而，这些方式使得我们光刻机的制造难度以及制造成本急剧增加，并且已逐步逼近物理极限。为了进一步提升分辨力，各种新的光刻方法应运而生，包括表面等离子光刻、纳米压印、多光子光刻等等，这些方法都有可能成为下一代主流光刻技术。

　　在大面积方面，大面积光刻机主要应用于显示产业。为了使我们用上更大的平板电视，光刻机的加工面积越做越大，液晶面板十代线上的光刻机加工面积达到了2880mm×3130mm，但最小加工线宽仅为3μm左右。随着显示产业的发展，AMOLED、高清显示等要求小加工线宽的显示技术的出现，该类设备不再仅以大为追求目标，如何在大的基础上减小最小加工线宽，成为该类光刻设备发展的重要方向。

　　三维方面，我们在每层图形加工过程中，都是将其作为一个平面进行加工。随着加工最细线宽已经逐步达到物理极限，在横向平面的潜力已经挖缺殆尽，未来将有可能向纵向发展，通过三维结构代替二维图形，进一步提高信息容量。

　　随着技术的飞速进步，一起期待我们和光刻机的光明未来吧！