制造一台光刻机，究竟有多难

图片来源：veer图库

我们常说的芯片也就是集成电路，是指通过一系列特定平面制造工艺将各种元器件“集成”在一块半导体单晶片上，并封装在一个保护外壳内，这种复杂的电子系统能执行特定功能。而纵观整个芯片制造流程，其中最复杂也是最前沿的莫过于光刻机。

为什么是7nm

“10nm”“7nm”“5nm”这些词大家想必都不陌生。2018年，中微半导体成功研制7nm的刻蚀机，这是国产造芯的一大进步。（但是成功研制刻蚀机并不代表我们就有能够制造7nm制程的芯片的实力，原因后面会讲到。）这些数字指的是什么？为什么我们需要所谓7nm的光刻机呢？芯片界有一个著名的定律——摩尔定律，即集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每24个月增加一倍，当然对应的理论性能也能增加一倍。但如何在同样尺寸的芯片上增加晶体管数量呢？当然就是把晶体管做小，提高晶体管密度。 “7nm”中的数字最初指的就是晶体管中的沟道长度，它也是区分半导体加工技术换代的重要标志（当然现在的命名更多的是代表技术迭代，其实是要长于7nm的）。想把晶体管越做越小，自然需要更精密的刻刀——光刻机，所谓7nm光刻机就是光刻机能刻蚀的最大分辨率。光刻的原理非常简单，和胶片相机的原理很相似。光线通过刻有电路图案的板子（我们可以叫他掩模版），硅片上的光刻胶曝光，曝光后的光刻胶会发生性质变化，从而将掩模版上的图案复制到硅片上。原理简单，难的是如何实现更精确的光刻。

光刻不难，难的是更精确地光刻

光刻机种类主要分为三种。第一种是接近接触式光刻，这也是结构最简单的光刻机。将掩模版与被刻基片尽可能接近，然后紫外光会对光刻胶进行曝光。它最大的问题在于：如果要制造芯片，就必须制作同等精细度的掩模版（变成了套娃）。此外掩模版可能与光刻胶直接接触，可能对芯片造成污染。因此这种光刻机只能达到微米级。第二种是直写光刻，直写光刻就像是打印，直接用强激光束将所需电路一点点刻出来，听到这里你可能已经发现了它的缺点，太慢了。纳米级的激光束在芯片上刻出电路的效率太低，不适于工业化制造。第三种是目前芯片最主要的光刻方式，也是本文主要介绍的光刻方式——光学投影式光刻，它也是目前能实现的精度与效率最好的光刻手段。和直写光刻的打印过程不同，光学投影式光刻就像是复印，掩模版上的图案经过光学系统投影后被缩小，再曝光到硅片上，就能实现最小纳米级的雕刻工艺。但是光学投影式光刻机问题是结构复杂，价格昂贵。

光刻机种类（图片来源：科普中国）

如何实现更精确的光刻呢？这就需要在光学设计上实现更大的分辨率。提高分辨率不仅要在理想情况，追求衍射极限；还要面对实际，尽量减小像差。

光学设计难题一：追求衍射极限

如果我们在物体上取两个相近的点，经过系统成像后平面上有两个光斑，如果两个点距离逐渐靠近，两个光斑将逐渐变成一个光斑，这时我们就无法区分一个点成的像还是两个点成的像了，这就是分辨率不足的体现。

要区分成像的究竟是一个点还是两个点是需要一个准确的边界值，这就引入了瑞利判据。瑞利判据就是当两个物体间距小于

时，成像系统所成的像将无法分辨这两个点，而是把它们当作一个点，这个边界也称为衍射极限。如果光刻中超过衍射极限，则刻蚀出的芯片就不那么精准了，自然无法实现设计的功能。因此，科学家就努力在衍射极限的边缘反复试探。

瑞利判据（图像来源：光电学堂）

根据瑞利判据的公式:

（式中，CD为最小分辨的宽度，λ是光源的波长，NA是投影透镜的数值孔径，它主要与环境折射率有关）。要想提高分辨率，要么减小光源波长，要么提高数值孔径，而无论哪一种方法都难如登天。

方法一：减小光源波长。

光源的波长越小分辨率越高，但是制造光源的难度也越高。一开始人们只能用汞灯发出的365nm波长光源进行光刻，能达到的极限尺寸只有250nm左右。随着技术的发展，光刻使用了波长193nm的深紫外光（DUV），只有用ArF准分子才能够被激发的深紫外光。但是，氩（Ar）是典型的惰性气体，与几乎所有物质都不发生反应，只有氧化性最强的氟（F）元素才能勉强与它变为这种不稳定的分子，难度可想而知。

目前最顶尖的光刻机的光源波长达到13.5nm，被称为极紫外光（EUV）。想激发出极致波长的光源，自然需要极致的办法。

光刻机采用的方法是激光等离子体型光源，即利用高功率的激光击打金属锡，产生高温高密度的等离子体，辐射出极紫外光。其实这种方法很久之前就被证实，但是起初用的是锡板，而且只用激光激发一次，产生的光源强度很低，无法作为光刻的光源。经过十几年的研究，科学家诞生了一个天才的设想，锡板不行那用熔化的锡，一次不行，就打两次。锡金属被熔化形成直径只有20微米的液滴，并且在真空环境中自由下落。在下落过程中，首先是193nm的深紫外光，将锡液滴打成云状，紧接着功率高达20kW的二氧化碳激光器再次击打它，并激发出EUV。

仅仅是产生光源的难度就令人难以想象。首先两次光源需要准确击打到正在自由下落的金属液滴中，难度就好像用乒乓球击打空中的苍蝇，还是两次。而且激发产生的光转瞬即逝，因此需要每秒钟激发约50000次。此外，高达20kW的二氧化碳激光器的制造难度也是相当大，所需电源功率达到了200kW。那么如此高功耗的光所激发的极紫外光的功率多大呢？大约210W，效率只有5.5%，这还是经过数次技术的迭代实现的最高水平，要知道最初的发光效率仅有0.8%。

在通讯和网络相关领域中，芯片起着至关重要的作用。由于众所周知的原因，大众对于芯片制造行业越来越关注。图片来源：veer图库我们常说的芯片也就是集成电路，是指通过一系列特定平面制造工艺将各种元器件“集成”在一块半导体单晶片上，并封装在一个保护外壳内，这种复杂的电子系统能执行特定功能。

而纵观整个芯片制造流程，其中最复杂也是最前沿的莫过于光刻机。

为什么是7nm“10nm”“7nm”“5nm”这些词大家想必都不陌生。

2018年，中微半导体成功研制7nm的刻蚀机，这是国产造芯的一大进步。

（但是成功研制刻蚀机并不代表我们就有能够制造7nm制程的芯片的实力，原因后面会讲到。

）这些数字指的是什么？为什么我们需要所谓7nm的光刻机呢？芯片界有一个著名的定律——摩尔定律，即集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每24个月增加一倍，当然对应的理论性能也能增加一倍。

但如何在同样尺寸的芯片上增加晶体管数量呢？当然就是把晶体管做小，提高晶体管密度。

“7nm”中的数字最初指的就是晶体管中的沟道长度，它也是区分半导体加工技术换代的重要标志（当然现在的命名更多的是代表技术迭代，其实是要长于7nm的）。

想把晶体管越做越小，自然需要更精密的刻刀——光刻机，所谓7nm光刻机就是光刻机能刻蚀的最大分辨率。

光刻的原理非常简单，和胶片相机的原理很相似。

光线通过刻有电路图案的板子（我们可以叫他掩模版），硅片上的光刻胶曝光，曝光后的光刻胶会发生性质变化，从而将掩模版上的图案复制到硅片上。

原理简单，难的是如何实现更精确的光刻。

光刻不难，难的是更精确地光刻光刻机种类主要分为三种。

第一种是接近接触式光刻，这也是结构最简单的光刻机。

将掩模版与被刻基片尽可能接近，然后紫外光会对光刻胶进行曝光。

它最大的问题在于：如果要制造芯片，就必须制作同等精细度的掩模版（变成了套娃）。

此外掩模版可能与光刻胶直接接触，可能对芯片造成污染。

因此这种光刻机只能达到微米级。

第二种是直写光刻，直写光刻就像是打印，直接用强激光束将所需电路一点点刻出来，听到这里你可能已经发现了它的缺点，太慢了。

纳米级的激光束在芯片上刻出电路的效率太低，不适于工业化制造。

第三种是目前芯片最主要的光刻方式，也是本文主要介绍的光刻方式——光学投影式光刻，它也是目前能实现的精度与效率最好的光刻手段。

和直写光刻的打印过程不同，光学投影式光刻就像是复印，掩模版上的图案经过光学系统投影后被缩小，再曝光到硅片上，就能实现最小纳米级的雕刻工艺。

但是光学投影式光刻机问题是结构复杂，价格昂贵。

光刻机种类（图片来源：科普中国）如何实现更精确的光刻呢？这就需要在光学设计上实现更大的分辨率。

提高分辨率不仅要在理想情况，追求衍射极限；还要面对实际，尽量减小像差。

光学设计难题一：追求衍射极限如果我们在物体上取两个相近的点，经过系统成像后平面上有两个光斑，如果两个点距离逐渐靠近，两个光斑将逐渐变成一个光斑，这时我们就无法区分一个点成的像还是两个点成的像了，这就是分辨率不足的体现。

要区分成像的究竟是一个点还是两个点是需要一个准确的边界值，这就引入了瑞利判据。

瑞利判据就是当两个物体间距小于时，成像系统所成的像将无法分辨这两个点，而是把它们当作一个点，这个边界也称为衍射极限。

如果光刻中超过衍射极限，则刻蚀出的芯片就不那么精准了，自然无法实现设计的功能。

因此，科学家就努力在衍射极限的边缘反复试探。

瑞利判据（图像来源：光电学堂）根据瑞利判据的公式:（式中，CD为最小分辨的宽度，λ是光源的波长，NA是投影透镜的数值孔径，它主要与环境折射率有关）。

要想提高分辨率，要么减小光源波长，要么提高数值孔径，而无论哪一种方法都难如登天。

方法一：减小光源波长。

光源的波长越小分辨率越高，但是制造光源的难度也越高。

一开始人们只能用汞灯发出的365nm波长光源进行光刻，能达到的极限尺寸只有250nm左右。

随着技术的发展，光刻使用了波长193nm的深紫外光（DUV），只有用ArF准分子才能够被激发的深紫外光。

但是，氩（Ar）是典型的惰性气体，与几乎所有物质都不发生反应，只有氧化性最强的氟（F）元素才能勉强与它变为这种不稳定的分子，难度可想而知。

目前最顶尖的光刻机的光源波长达到13.5nm，被称为极紫外光（EUV）。

想激发出极致波长的光源，自然需要极致的办法。

光刻机采用的方法是激光等离子体型光源，即利用高功率的激光击打金属锡，产生高温高密度的等离子体，辐射出极紫外光。

其实这种方法很久之前就被证实，但是起初用的是锡板，而且只用激光激发一次，产生的光源强度很低，无法作为光刻的光源。

经过十几年的研究，科学家诞生了一个天才的设想，锡板不行那用熔化的锡，一次不行，就打两次。

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