光刻机，顾名思义，是以光为媒介，将微纳米刻入心脏。
核桃雕刻也许并不稀奇，但你能想象在头发上画一个体育馆吗？
《论语》有云：“工欲善其事，必先利其器”。因此，好的工具在制造过程中起着关键作用。
前工业时代，人们以人手为工具，手工制作各种生产生活用具。
在工业时代，机床已经取代了人手来完成各种精密零部件的加工。
随着科技的进步，人类已经进入信息时代，机床制造的宏观结构器件已经不能满足人们对高信息容量的需求。拥有微米和纳米制造能力的光刻机,已经成为新时代的制造业之王。
制造工具开发来源：作者自制
光刻机，顾名思义，是以光为媒介，将微纳米刻入心脏。光刻机可以利用光作为介质，实现各种微米甚至纳米图形的加工。目前最先进的光刻机能加工的最细线已经达到了13nm。我们人类头发的直径大约是50 m-70 m，用光刻法可以描绘出头发直径1/5000的线条。在古代，人类在一颗核桃上手工雕刻出一艘船，精美绝伦。使用信息时代的制造工具光刻机，我们可以在一根头发上雕刻出一个足球场。
来源：王绎龙赵鹏市东路沈海军1号。头发表面艺术及其创作。艺术与科技，2011(02):24-27。
芯片制造的“光”
我们在现实生活中使用的一切都是有形的。光刻机这种“高精尖”的设备离我们还远吗？
事实上，光刻机与我们的生活息息相关，已经渗透到我们生活的方方面面。我们的电脑和电视屏幕之所以能显示彩色图形，是由于面板上经过光刻机处理的像素图形；家用LED之所以能发光，正是因为其经过光刻处理的正反结构；计算机内部的CPU能实现各种快速运算，靠的是其内部经过光刻处理的微纳结构；家用汽车可以实时感知车速、温度、胎压等等，还会用到经过光刻机处理的各种传感器。
在信息时代，光刻机不仅可以完成计算机CPU、FPGA等传统芯片，也是平板显示器、led、传感器等具有一定功能和集成度的“广义芯片”的主要加工手段。作为信息时代的制造之王，光刻机加工的各种“芯片”无处不在，无所不能。
有没有可能用光刻机做芯片？还没有。
从一块普通的基板到我们使用的最后一块芯片，要经历“八十一难”，包括上百道工艺步骤。任何一个步骤的错误都会影响到最终的芯片质量，光刻只是最关键的步骤之一。就像我们画画一样，画图至关重要，但一幅好的作品也需要纸张、颜料、裁剪、装裱等好的材料和工艺的配合。
“光”的工作原理不练假柄：目前主流的光刻机可以分为三种：紧密接触光刻、投影光刻和直写光刻。每个光刻机都有自己的工作原理，适用于不同的加工场景。
光刻源的主要类型：作者自制
l紧密接触掩模对准器
光刻机工作过程中具有微纳图形结构的模具(掩膜)与待加工结构表面接触，在紫外光照射下，掩膜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。它利用已有的图形阻挡光线的透射，从而形成明暗相间的图案分布。结合待加工表面的感光胶的感光特性，记录下我们需要的图形。
图片来源：Veer画廊
这种方法的特点是设备结构相对简单，加工效率高，但只能实现图形的1: 1再现，无法进一步缩小，能加工的最细线也只有微米级。
投影光刻
投影光刻机的工作原理和相机类似(如下图)。在工作过程中，分划板(外部图像)通过投影物镜(透镜)成像到基底(感光介质表面)上。
投影光刻机与相机源的比较：作者自制
由于投影光刻机工作在投影模式下，掩模和衬底不再接触，大大避开了掩模。
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
l 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！
来源：中国科普博览
出品：科普中国
制作：唐燕（中国科学院光电技术研究所）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
