光刻機 信息時代的制造之王

唐燕 胡松 何渝

當用手機盡情刷著微博、抖音或者在電腦上暢玩大型游戲、追熱門劇集時，人們無不感嘆人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算的神奇，并為處在這樣一個科技高速發(fā)展的時代而自豪。不過，很多人或許并不知道，芯片在其中所起的作用究竟有多大。我們的日常生活中，到處都有芯片的影子。芯片不只被安裝在電腦里，還存在于我們的手機、電視機、空調(diào)、熱水器里，甚至就連生活中司空見慣的遙控器也離不開芯片。

芯片如何造出來

如今芯片在人們生活的方方面面扮演著如此重要的角色，那么，它們究竟是怎么制造出來的呢？

芯片的主要原材料—硅經(jīng)過晶圓制造、前道工藝、封裝工藝等一系列精細、復(fù)雜的處理過程，才能演變成芯片（如圖1所示）。作為芯片制造的核心，前道工藝的每一層均需要使用光刻機進行圖形轉(zhuǎn)移套刻曝光，以便形成原始圖形。其中，第一層需要將掩模版圖形與基片外形對準曝光，其后的各塊掩模版需要與基片上前面已完成的圖形或結(jié)構(gòu)對準套刻曝光。此外，每一層所需要的掩模版也是由光刻機制造的，所以，光刻機是芯片制造的母機。也可以說，光刻機是信息時代的制造母機，對芯片制造具有極大的影響。

芯片前道工藝不僅需要光刻機，還需要勻膠機、烘烤設(shè)備、清洗設(shè)備、薄膜設(shè)備（PVD、CVD、EVD、PECVD、MOCVD等）、刻蝕設(shè)備（反應(yīng)離子刻蝕、氣體刻蝕、液體腐蝕等）、離子注入設(shè)備等工藝設(shè)備及過程檢測設(shè)備（膜厚、形貌、缺陷、線寬、套刻精度等檢測儀器）。其中，技術(shù)難度最大、成本最高且最為關(guān)鍵的設(shè)備是光刻機。

發(fā)絲上畫足球場

俗話說：“工欲善其事，必先利其器。”好的工具在制造過程中起著關(guān)鍵性作用。制造工具的發(fā)展也經(jīng)歷了漫長的時間（如圖2所示）。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；進入工業(yè)時代，機床代替了人手，完成各種精密元件的加工；隨著科技的進步，人類進入信息時代，由機床制造的、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成為新時代的制造之王。

顧名思義，所謂光刻機，是以光為媒介，刻畫微納于方寸之間，實現(xiàn)各種微米甚至納米級別的圖形加工。目前，最先進的光刻機能夠加工的最細線條已經(jīng)達到13納米。我們?nèi)祟惖念^發(fā)絲直徑在50～70微米左右，利用光刻手段能刻畫出只有頭發(fā)絲直徑1/5000的線條。

明末著名散文家魏學洢有一篇著名的散文，名叫《核舟記》。文章開篇即說：“明有奇巧人曰王叔遠，能以徑寸之木，為宮室、器皿、人物，以至鳥獸、木石，罔不因勢象形，各具情態(tài)?！弊髡呓酉聛碚f，王叔遠曾經(jīng)送給自己一個用桃核雕刻成的小船，刻的是蘇軾乘船游赤壁的圖案。這枚桃核小舟上統(tǒng)共雕刻了5個人、8扇窗戶，還有用箬竹葉做的船篷、船槳、爐子、茶壺、手卷、念珠各一件，對聯(lián)、題名和篆文等文字共計34個?？墒牵嬎闼拈L度，竟然還不滿一寸。作者最后不免感嘆其人的技藝當真高超。

在現(xiàn)實生活中，確實有類似《核舟記》中提到的微雕小舟，它雕于清代，如今被收藏于臺北故宮博物院。這枚用橄欖核雕刻而成的小舟，其題材取自蘇東坡的《后赤壁賦》：在小小的船艙中，蘇東坡和兩位客人悠然坐于艙內(nèi)，面前的桌子上杯盤狼藉。在船艙外，還雕有童子、船夫和舵手。人物雖小，細致生動的表情卻各有不同。

古人通過手工方式在核桃、橄欖核上雕刻出一葉扁舟已屬精妙絕倫；今人不遑多讓，能夠利用信息時代制造出的工具—光刻機，在一根頭發(fā)絲上刻畫出圖形，甚至能夠刻畫出一座足球場（圖4）。

滲透日常生活

對于普通人而言，在現(xiàn)實生活中用的都是能夠看得見、摸得著的東西；光刻機這種“高精尖”的設(shè)備是不是太過曲高和寡，和人們的距離太過遙遠了？其實不然。

事實上，光刻機如今已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面（圖5）：我們用的電腦、電視顯示屏之所以能夠呈現(xiàn)出色彩斑斕的各種圖形，得益于光刻機在面板上加工的一個個像素圖形；家用LED燈等產(chǎn)品之所以能夠發(fā)光，正是源于其上通過光刻手段加工出來的正負極結(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)部由光刻機加工出來的各種微納結(jié)構(gòu)；家用汽車之所以能夠?qū)崟r感知車內(nèi)車速、溫度、胎壓等情況，也是利用由光刻機加工出來的各種傳感器。信息時代，光刻機不僅能夠完成電腦CPU、FPGA（現(xiàn)場可編程門列陣）等傳統(tǒng)意義上的芯片制造，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。

可以這樣說，作為信息時代的制造之王，光刻機所加工的各類“芯片”無處不在，無所不能。

接觸、投影、直寫“三干將”

當然，面對市場復(fù)雜多樣的需求，光刻機自然不可能一招“包打天下”。根據(jù)不同的應(yīng)用場景，目前的主流光刻機可以分為接近接觸式、投影式以及直寫式光刻機三類。每種光刻機的工作原理各有不同，具有不同的特點，因而適用于不同的加工場景（圖6）。

接近接觸式光刻機

在工作過程中，接近接觸式光刻機具有微納圖形結(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。它的工作原理類似于我們的“手影”游戲（圖7）：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。

該種方法的特點是設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單、加工效率高、成本低，具有易實現(xiàn)大芯片面積曝光、使用方便、焦深長、工藝適應(yīng)性強等優(yōu)點；不過，也存在分辨力低、曝光圖形質(zhì)量差、工藝一致性差等缺點，僅能實現(xiàn)圖形1：1的復(fù)制，無法進一步縮小復(fù)制圖形，它能夠加工出的最細線條僅在微米量級。

盡管接近接觸式光刻機存在不足，但作為目前器件制造中應(yīng)用十分廣泛的一種復(fù)制型光刻方法，在光刻分辨力相對要求低、芯片面積大、厚膠和非標基片等場景，集成電路（IC）和平板顯示以外的各種器件基本以該種光刻方法為主。

接近接觸式光刻包括手動式、半自動式和全自動式三種。手動式是指上下片、對準、曝光全部以手動操作為主；半自動式是指除上下片外，對準和曝光全部采用自動操作模式；全自動式則是指預(yù)對準、上下片、對準和曝光全部采用自動操作。

投影式光刻機

投影式光刻機的工作原理類似于照相機（圖8），在工作過程中，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）。

由于投影式光刻機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，利用投影鏡頭改變其縮小倍率，可以加工出比掩模版圖形更為細小的結(jié)構(gòu)。除此以外，投影式光刻機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，投影式光刻機自問世以來一直都是光刻機領(lǐng)域的主流光刻設(shè)備。目前，GPU、FPGA、LED等高端芯片均采用投影式光刻機進行加工。

盡管工作原理類似，但投影式光刻機的復(fù)雜程度遠超照相機，其內(nèi)部包含了數(shù)十個關(guān)鍵分系統(tǒng)（圖9）。在工作過程中，各個分系統(tǒng)密切配合，保證光刻機在高速工作狀態(tài)下，依然能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨力（13納米線寬）以及高質(zhì)量圖形加工能力。

如今，最先進的投影式光刻機單臺售價近10億元，價格之高，令人咂舌。高昂的價格反映了該設(shè)備的價值和技術(shù)含量。也因此，投影式光刻機被認為是半導(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)。目前，全球僅有阿斯麥爾（ASML）、尼康（Nikon）、佳能（Canon）等少數(shù)企業(yè)具備量產(chǎn)高端投影式光刻機的能力。

直寫式光刻機

從前面兩種光刻機的介紹可以看出，這兩種光刻機均采用“復(fù)制”工作模式，即都是將掩模上的圖案“復(fù)制”到待加工表面，但掩模上的圖案又是從哪里來的？這就需要用到我們接下來要介紹的直寫式光刻機。

直寫式光刻機的工作原理類似于我們寫字（圖10）。在工作過程中，設(shè)備通過多種手段，將光束（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，從而完成任何我們想要的圖形的加工。

直寫式光刻機可以完成任意圖形的加工，且加工精度極高，加工的最細線條可以達到納米量級。不過，在圖形的加工過程中，直寫式光刻機是以點的方式進行加工的，工作效率極低且難以實現(xiàn)大面積直寫，不適合大批量結(jié)構(gòu)的制備，所以，目前主要作為掩模版的加工手段。

了解了光刻機的基本知識，或許有人會問：是不是有了光刻機，就能夠制造芯片了？

還不行。

因為通過之前的介紹，我們很容易發(fā)現(xiàn)，從一個普通的基片到我們最后使用的芯片，中間要經(jīng)過數(shù)百道工藝環(huán)節(jié)，其中任何一個環(huán)節(jié)出錯，都將影響最終的芯片質(zhì)量。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：畫圖雖然很關(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。

更細 更大 更三維

一直以來，光刻機都在追求更高的信息容量，高分辨力、大面積、三維是其未來發(fā)展的主要方向。

在高分辨力方面，我們通過不斷縮小所采用的光源的波長、增強投影物鏡的最小線條成像能力等方式，以期達到不斷縮小能夠加工的最小線寬的目的；然而，這意味著，光刻機的制造難度以及制造成本將急劇增加，并且已逐步逼近其物理極限。

為了進一步提升分辨力，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，這些光刻方法都有可能成為下一代的主流光刻技術(shù)。

隨著光刻分辨力的提升，加工線寬越來越細，現(xiàn)在的電子芯片工藝越來越精密，從14納米到7納米，再到5納米，現(xiàn)在已經(jīng)在研發(fā)3納米技術(shù)；但電子芯片終究有其極限，1納米就將成為電子芯片的“極限”。當?shù)陀?納米時，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的間隔尺寸幾乎接近原子的距離，硅本身的物理形態(tài)將變得很不穩(wěn)定，電流很容易將薄氧層擊穿，造成兩極短路或者造成晶體管的金屬薄膜針被電流熔斷，導(dǎo)致兩極開路。

一旦達到極限尺寸，傳統(tǒng)電子芯片的發(fā)展也將出現(xiàn)停滯，因為這一問題是沒有辦法利用現(xiàn)有技術(shù)手段進行改進的，只能尋找新的替代方法。

在未來，光子芯片最可能“接班”電子芯片?，F(xiàn)在的智能手機中的芯片基本上都是電子芯片。光子芯片則是通過硅和硅基底讓光子代替電子作為傳輸媒介。光子的粒子更小、運動速度更快、能耗更低、抗干擾性更強，光子芯片完美地融合了光的速度和帶寬，產(chǎn)品性能將得到10倍以上的提升，能耗卻只有傳統(tǒng)電子芯片的1%。

據(jù)報道，我國目前已經(jīng)制造出了首個軌道角動量波導(dǎo)光子芯片，并且擁有該項技術(shù)的完全知識產(chǎn)權(quán)。

在大面積方面，大面積光刻機主要應(yīng)用于顯示產(chǎn)業(yè)。為了使我們用上屏幕面積更大的平板電視，光刻機的加工面積越做越大，液晶面板十代線上的光刻機加工面積達到了2880毫米×3130毫米，但最小加工線寬僅為3微米左右。隨著顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，AMOLED、高清顯示等要求更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，如何在大的基礎(chǔ)上降低最小加工線寬，將成為該類光刻設(shè)備發(fā)展的重要方向。

在三維方面，我們在每層圖形加工過程中，都是將其作為一個平面進行加工的。隨著加工的最細線寬逐步達到物理極限，在橫向平面的潛力已挖掘殆盡，未來將有可能向縱向發(fā)展，即通過三維結(jié)構(gòu)代替二維圖形，以進一步提高信息容量。