來源：中國科普博覽
核桃雕或許不稀奇，但你能想象在頭發(fā)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，好的工具在制造過程中起著關(guān)鍵作用。
在前工業(yè)時代，人們以人手為工具，采用手工方式制造各種生產(chǎn)、生活用具。
進(jìn)入工業(yè)時代，機(jī)床代替了人手，完成各種精密元件的加工。
隨著科技的進(jìn)步，人類進(jìn)入信息時代，由機(jī)床制造的具有宏觀結(jié)構(gòu)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(jī)成為新時代的制造之王。
制造工具發(fā)展
光刻機(jī)，顧名思義，以光為媒，刻化微納于方寸之間。光刻機(jī)能夠利用光作為媒介，實現(xiàn)各種微米甚至納米圖形加工。目前最先進(jìn)的光刻機(jī)能夠加工的最細(xì)線條已經(jīng)達(dá)到13nm。我們?nèi)祟惖念^發(fā)絲直徑在50μm—70μm左右，而利用光刻手段能刻畫出頭發(fā)絲直徑1/5000的線條。古代人類通過手工方式在核桃上雕刻出一葉扁舟已屬精妙絕倫，而利用信息時代的制造工具光刻機(jī)，我們能夠在一根頭發(fā)絲上刻畫出一座足球場。
頭發(fā)絲上的足球場
Part。 1
芯片制造之“光”
我們現(xiàn)實生活中用的都是看得見摸得著的東西，光刻機(jī)這種“高精尖”的設(shè)備是不是曲高和寡，和我們離得很遙遠(yuǎn)了？
其實不然，光刻機(jī)與我們生活息息相關(guān)，已經(jīng)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，得益于光刻機(jī)在面板上加工的一個個像素圖形；家用LED等之所以能夠發(fā)光，正是源于其上通過光刻手段加工出來的正負(fù)級結(jié)構(gòu)；電腦里面的CPU能夠?qū)崿F(xiàn)各種快速運算，依靠的是其內(nèi)部由光刻加工出來的各種微納結(jié)構(gòu)；家用汽車能夠?qū)崟r感知車內(nèi)車速、溫度、胎壓等情況，也是利用由光刻機(jī)加工出來的各種傳感器。
信息時代，光刻機(jī)不僅能夠完成電腦CPU、FPGA等傳統(tǒng)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。作為信息時代的制造之王，光刻機(jī)所加工的各類“芯片”已經(jīng)無處不在，無所不能。
Part。 2
有了光刻機(jī)就能夠制造芯片了？還不行
從一個普通的基片到我們最后使用的芯片，要經(jīng)過“九九八十一難”，包括數(shù)百道工藝環(huán)節(jié)，任何一個環(huán)節(jié)出錯都將影響最終的芯片質(zhì)量，而光刻僅僅是其中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。就像我們作畫一樣，畫圖很關(guān)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(jī)的工作原理
目前主流光刻機(jī)可以分為接近接觸式、投影式以及直寫式光刻三類，每種光刻機(jī)的工作原理各有不同，適用于不同加工場景。
光刻主要類型
接近接觸式光刻機(jī)
該種光刻機(jī)在工作過程中具有微納圖形結(jié)構(gòu)的模具（掩模版），與待加工結(jié)構(gòu)表面相互接觸，在紫外光的照射下，將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移到待加工圖形表面。它的工作原理類似與我們的“手影”游戲，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布，結(jié)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(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單，加工效率高，但僅能實現(xiàn)圖形1：1復(fù)制，無法進(jìn)一步縮小，而且能夠加工的最細(xì)線條僅在微米量級。
投影式光刻
投影光刻機(jī)工作原理類似于照相機(jī)（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(zhì)表面）。
投影光刻機(jī)與照相機(jī)對比
由于投影光刻機(jī)采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?；蚧膿p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為細(xì)小的結(jié)構(gòu)。
除此以外，投影光刻機(jī)具有掃描式成像的曝光能力，工作效率極高。
由于卓越的性能優(yōu)勢，投影光刻機(jī)一直以來都是各類光刻機(jī)中的主流，目前GPU、FPGA、LCD等高端芯片均是采用投影光刻機(jī)進(jìn)行加工。
盡管工作原理類似，投影光刻機(jī)復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于照相機(jī)，其內(nèi)部包含了數(shù)十個關(guān)鍵分系統(tǒng)（如下圖所示）。工作過程中，各個分系統(tǒng)密切配合，保證在高速工作狀態(tài)下，高分辨力（13nm線寬）、高質(zhì)量圖形加工。最先進(jìn)的投影光刻機(jī)單臺售價高達(dá)近10億元，價格反應(yīng)了該設(shè)備的價值和技術(shù)含量。
投影光刻機(jī)被認(rèn)為是半導(dǎo)體制造業(yè)皇冠上的明珠，研制難度極大，是人類最高科技水平的體現(xiàn)。全球僅有ASML、Nikon、Canon具備高端投影光刻機(jī)量產(chǎn)能力。
投影光刻機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
直寫式光刻機(jī)
從以上接近接觸式光刻機(jī)、投影式光刻機(jī)的介紹中可以看到，這兩種都是采用的“復(fù)制”工作模式，都是將掩模上的圖案“復(fù)制”到待加工表面。而掩模上的圖案從哪里來？這就需要用到直寫式光刻機(jī)。
直寫式光刻機(jī)的工作原理類似于我們寫字，工作過程中，設(shè)備通過多種手段，將我們的光束（或者是電子束、離子束）聚焦成類似于我們筆尖的小小一點，然后帶動筆尖或者基片實現(xiàn)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(jī)可以完成任意圖形加工，其加工精度極高，能夠加工的最細(xì)線條可以達(dá)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，不適用于大批量結(jié)構(gòu)的制備，目前主要用于掩模版的加工。
Part。 4
光刻機(jī)的“光”明未來
光刻機(jī)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(fā)展方向。
在高分辨力方面，我們通過不斷地縮小所采用的光源的波長（EUV光源13.5nm），增強(qiáng)投影物鏡的最小線條成像能力（提高數(shù)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(jī)的制造難度以及制造成本急劇增加，并且已逐步逼近物理極限。為了進(jìn)一步提升分辨力，各種新的光刻方法應(yīng)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為下一代主流光刻技術(shù)。
在大面積方面，大面積光刻機(jī)主要應(yīng)用于顯示產(chǎn)業(yè)。為了使我們用上更大的平板電視，光刻機(jī)的加工面積越做越大，液晶面板十代線上的光刻機(jī)加工面積達(dá)到了2880mm×3130mm，但最小加工線寬僅為3μm左右。隨著顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，AMOLED、高清顯示等要求小加工線寬的顯示技術(shù)的出現(xiàn)，該類設(shè)備不再僅以大為追求目標(biāo)，如何在大的基礎(chǔ)上減小最小加工線寬，成為該類光刻設(shè)備發(fā)展的重要方向。
三維方面，我們在每層圖形加工過程中，都是將其作為一個平面進(jìn)行加工。隨著加工最細(xì)線寬已經(jīng)逐步達(dá)到物理極限，在橫向平面的潛力已經(jīng)挖缺殆盡，未來將有可能向縱向發(fā)展，通過三維結(jié)構(gòu)代替二維圖形，進(jìn)一步提高信息容量。
隨著技術(shù)的飛速進(jìn)步，一起期待我們和光刻機(jī)的光明未來吧！
