光刻机 信息时代的制造之王

唐燕 胡松 何渝

当用手机尽情刷着微博、抖音或者在电脑上畅玩大型游戏、追热门剧集时，人们无不感叹人工智能、大数据、云计算的神奇，并为处在这样一个科技高速发展的时代而自豪。不过，很多人或许并不知道，芯片在其中所起的作用究竟有多大。我们的日常生活中，到处都有芯片的影子。芯片不只被安装在电脑里，还存在于我们的手机、电视机、空调、热水器里，甚至就连生活中司空见惯的遥控器也离不开芯片。

芯片如何造出来

如今芯片在人们生活的方方面面扮演着如此重要的角色，那么，它们究竟是怎么制造出来的呢？

芯片的主要原材料—硅经过晶圆制造、前道工艺、封装工艺等一系列精细、复杂的处理过程，才能演变成芯片（如图1所示）。作为芯片制造的核心，前道工艺的每一层均需要使用光刻机进行图形转移套刻曝光，以便形成原始图形。其中，第一层需要将掩模版图形与基片外形对准曝光，其后的各块掩模版需要与基片上前面已完成的图形或结构对准套刻曝光。此外，每一层所需要的掩模版也是由光刻机制造的，所以，光刻机是芯片制造的母机。也可以说，光刻机是信息时代的制造母机，对芯片制造具有极大的影响。

芯片前道工艺不仅需要光刻机，还需要匀胶机、烘烤设备、清洗设备、薄膜设备（PVD、CVD、EVD、PECVD、MOCVD等）、刻蚀设备（反应离子刻蚀、气体刻蚀、液体腐蚀等）、离子注入设备等工艺设备及过程检测设备（膜厚、形貌、缺陷、线宽、套刻精度等檢测仪器）。其中，技术难度最大、成本最高且最为关键的设备是光刻机。

发丝上画足球场

俗话说：“工欲善其事，必先利其器。”好的工具在制造过程中起着关键性作用。制造工具的发展也经历了漫长的时间（如图2所示）。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。

顾名思义，所谓光刻机，是以光为媒介，刻画微纳于方寸之间，实现各种微米甚至纳米级别的图形加工。目前，最先进的光刻机能够加工的最细线条已经达到13纳米。我们人类的头发丝直径在50～70微米左右，利用光刻手段能刻画出只有头发丝直径1/5000的线条。

明末著名散文家魏学洢有一篇著名的散文，名叫《核舟记》。文章开篇即说：“明有奇巧人曰王叔远，能以径寸之木，为宫室、器皿、人物，以至鸟兽、木石，罔不因势象形，各具情态。”作者接下来说，王叔远曾经送给自己一个用桃核雕刻成的小船，刻的是苏轼乘船游赤壁的图案。这枚桃核小舟上统共雕刻了5个人、8扇窗户，还有用箬竹叶做的船篷、船桨、炉子、茶壶、手卷、念珠各一件，对联、题名和篆文等文字共计34个。可是，计算它的长度，竟然还不满一寸。作者最后不免感叹其人的技艺当真高超。

在现实生活中，确实有类似《核舟记》中提到的微雕小舟，它雕于清代，如今被收藏于台北故宫博物院。这枚用橄榄核雕刻而成的小舟，其题材取自苏东坡的《后赤壁赋》：在小小的船舱中，苏东坡和两位客人悠然坐于舱内，面前的桌子上杯盘狼藉。在船舱外，还雕有童子、船夫和舵手。人物虽小，细致生动的表情却各有不同。

古人通过手工方式在核桃、橄榄核上雕刻出一叶扁舟已属精妙绝伦；今人不遑多让，能够利用信息时代制造出的工具—光刻机，在一根头发丝上刻画出图形，甚至能够刻画出一座足球场（图4）。

渗透日常生活

对于普通人而言，在现实生活中用的都是能够看得见、摸得着的东西；光刻机这种“高精尖”的设备是不是太过曲高和寡，和人们的距离太过遥远了？其实不然。

事实上，光刻机如今已经渗透到我们生活的方方面面（图5）：我们用的电脑、电视显示屏之所以能够呈现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灯等产品之所以能够发光，正是源于其上通过光刻手段加工出来的正负极结构；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机加工出来的各种微纳结构；家用汽车之所以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（现场可编程门列阵）等传统意义上的芯片制造，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。

可以这样说，作为信息时代的制造之王，光刻机所加工的各类“芯片”无处不在，无所不能。

接触、投影、直写“三干将”

当然，面对市场复杂多样的需求，光刻机自然不可能一招“包打天下”。根据不同的应用场景，目前的主流光刻机可以分为接近接触式、投影式以及直写式光刻机三类。每种光刻机的工作原理各有不同，具有不同的特点，因而适用于不同的加工场景（图6）。

接近接触式光刻机

在工作过程中，接近接触式光刻机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。它的工作原理类似于我们的“手影”游戏（图7）：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。

该种方法的特点是设备结构相对简单、加工效率高、成本低，具有易实现大芯片面积曝光、使用方便、焦深长、工艺适应性强等优点；不过，也存在分辨力低、曝光图形质量差、工艺一致性差等缺点，仅能实现图形1：1的复制，无法进一步缩小复制图形，它能够加工出的最细线条仅在微米量级。

尽管接近接触式光刻机存在不足，但作为目前器件制造中应用十分广泛的一种复制型光刻方法，在光刻分辨力相对要求低、芯片面积大、厚胶和非标基片等场景，集成电路（IC）和平板显示以外的各种器件基本以该种光刻方法为主。

接近接触式光刻包括手动式、半自动式和全自动式三种。手动式是指上下片、对准、曝光全部以手动操作为主；半自动式是指除上下片外，对准和曝光全部采用自动操作模式；全自动式则是指预对准、上下片、对准和曝光全部采用自动操作。

投影式光刻机

投影式光刻机的工作原理类似于照相机（图8），在工作过程中，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）。

由于投影式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，投影式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，投影式光刻机自问世以来一直都是光刻机领域的主流光刻设备。目前，GPU、FPGA、LED等高端芯片均采用投影式光刻机进行加工。

尽管工作原理类似，但投影式光刻机的复杂程度远超照相机，其内部包含了数十个关键分系统（图9）。在工作过程中，各个分系统密切配合，保证光刻机在高速工作状态下，依然能够实现高分辨力（13纳米线宽）以及高质量图形加工能力。

如今，最先进的投影式光刻机单台售价近10亿元，价格之高，令人咂舌。高昂的价格反映了该设备的价值和技术含量。也因此，投影式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。目前，全球仅有阿斯麦尔（ASML）、尼康（Nikon）、佳能（Canon）等少数企业具备量产高端投影式光刻机的能力。

直写式光刻机

从前面两种光刻机的介绍可以看出，这两种光刻机均采用“复制”工作模式，即都是将掩模上的图案“复制”到待加工表面，但掩模上的图案又是从哪里来的？这就需要用到我们接下来要介绍的直写式光刻机。

直写式光刻机的工作原理类似于我们写字（图10）。在工作过程中，设备通过多种手段，将光束（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，从而完成任何我们想要的图形的加工。

直写式光刻机可以完成任意图形的加工，且加工精度极高，加工的最细线条可以达到纳米量级。不过，在图形的加工过程中，直写式光刻机是以点的方式进行加工的，工作效率极低且难以实现大面积直写，不适合大批量结构的制备，所以，目前主要作为掩模版的加工手段。

了解了光刻机的基本知识，或许有人会问：是不是有了光刻机，就能够制造芯片了？

还不行。

因为通过之前的介绍，我们很容易发现，从一个普通的基片到我们最后使用的芯片，中间要经过数百道工艺环节，其中任何一个环节出错，都将影响最终的芯片质量。光刻仅仅是其中最为关键的环节之一。就像我们作画一样：画图虽然很关键，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。

更细 更大 更三维

一直以来，光刻机都在追求更高的信息容量，高分辨力、大面积、三维是其未来发展的主要方向。

在高分辨力方面，我们通过不断缩小所采用的光源的波長、增强投影物镜的最小线条成像能力等方式，以期达到不断缩小能够加工的最小线宽的目的；然而，这意味着，光刻机的制造难度以及制造成本将急剧增加，并且已逐步逼近其物理极限。

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，这些光刻方法都有可能成为下一代的主流光刻技术。

随着光刻分辨力的提升，加工线宽越来越细，现在的电子芯片工艺越来越精密，从14纳米到7纳米，再到5纳米，现在已经在研发3纳米技术；但电子芯片终究有其极限，1纳米就将成为电子芯片的“极限”。当低于1纳米时，芯片内部结构的间隔尺寸几乎接近原子的距离，硅本身的物理形态将变得很不稳定，电流很容易将薄氧层击穿，造成两极短路或者造成晶体管的金属薄膜针被电流熔断，导致两极开路。

一旦达到极限尺寸，传统电子芯片的发展也将出现停滞，因为这一问题是没有办法利用现有技术手段进行改进的，只能寻找新的替代方法。

在未来，光子芯片最可能“接班”电子芯片。现在的智能手机中的芯片基本上都是电子芯片。光子芯片则是通过硅和硅基底让光子代替电子作为传输媒介。光子的粒子更小、运动速度更快、能耗更低、抗干扰性更强，光子芯片完美地融合了光的速度和带宽，产品性能将得到10倍以上的提升，能耗却只有传统电子芯片的1%。

据报道，我国目前已经制造出了首个轨道角动量波导光子芯片，并且拥有该项技术的完全知识产权。

在大面积方面，大面积光刻机主要应用于显示产业。为了使我们用上屏幕面积更大的平板电视，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2880毫米×3130毫米，但最小加工线宽仅为3微米左右。随着显示产业的发展，AMOLED、高清显示等要求更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，如何在大的基础上降低最小加工线宽，将成为该类光刻设备发展的重要方向。

在三维方面，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的。随着加工的最细线宽逐步达到物理极限，在横向平面的潜力已挖掘殆尽，未来將有可能向纵向发展，即通过三维结构代替二维图形，以进一步提高信息容量。