什么是光刻機(jī)

讀者小玉問：“常常從新聞中聽到光刻機(jī)這個(gè)名詞，它到底是什么？為何如此重要呢？”時(shí)至今日，我們的生活和學(xué)習(xí)早已離不開智能設(shè)備，這些智能設(shè)備的“大腦”是各種各樣的芯片，而光刻機(jī)則是芯片制備中必不可少的設(shè)備．簡單來說，可以認(rèn)為芯片是由若干電路結(jié)構(gòu)集合而成的，這些電路就像生物的大腦，其數(shù)目和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了芯片的“聰明”程度.

芯片的總體積就那么大．要把芯片做得“聰明”，每一個(gè)電路結(jié)構(gòu)就不能占用太大的空間．例如，某芯片是7 nm制程的．可以認(rèn)為這個(gè)芯片上最小的電路結(jié)構(gòu)的尺度是7 nm.

那么我們?nèi)绾渭庸み@么微小的電路結(jié)構(gòu)呢？大家可以思考一下，想要制作一個(gè)結(jié)構(gòu)．是不是需要用到比這個(gè)結(jié)構(gòu)更細(xì)小的工具．例如篆刻的師傅要用鋒利的刻刀尖來進(jìn)行篆刻，因此，要制作納米量級(jí)的電路結(jié)構(gòu)，就需要找到比納米量級(jí)更細(xì)小的工具，這個(gè)工具就是光．

在初中物理中，我們知道凸透鏡可以會(huì)聚光，一束平行光經(jīng)過凸透鏡后可以在凸透鏡的焦點(diǎn)處得到一個(gè)很小的光點(diǎn)，如果進(jìn)一步將多個(gè)光學(xué)透鏡組合起來，就可以讓這個(gè)光點(diǎn)繼續(xù)變小到接近光自己所能達(dá)到的最小值（這個(gè)最小值與光本身的波長有直接關(guān)系），這樣一來就可以得到我們需要的納米級(jí)工具了．

目前，世界范圍內(nèi)最先進(jìn)的光刻機(jī)用的是極紫外光，這種光的波長是13.5 nm.這里大家可能會(huì)有一個(gè)疑問，是不是說13.5 nm波長的光就只能做出13.5 nm的電路結(jié)構(gòu)呢？實(shí)際上，利用多重曝光的技術(shù)可以刻出更小的電路結(jié)構(gòu)．

接下來就要解決如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)工具的問題了，一臺(tái)光刻機(jī)由三大關(guān)鍵部分組成：

第一部分是光源，即要得到穩(wěn)定的光源．讓一束激光持續(xù)準(zhǔn)確擊中以約90 m/s速度運(yùn)動(dòng)的小錫球，它在溫度達(dá)到50萬攝氏度時(shí)就成為等離子體，此時(shí)再用一束激光轟擊它，它才能產(chǎn)生波長為13.5 nm的極紫外光.

第二部分是光學(xué)系統(tǒng)．要將產(chǎn)生的極紫外光收集起來，形成一束極紫外光．這需要一套達(dá)到物理極限的理想光學(xué)儀器組，且這套光學(xué)系統(tǒng)必須工作在超高真空中，不能有任何干擾.

第三部分是“篆刻”工作臺(tái)．要把幾百億個(gè)電路結(jié)構(gòu)刻在芯片上，離不開高精度的工作臺(tái)．如果工作臺(tái)的精度低于要刻出來的結(jié)構(gòu)，那么想要的結(jié)構(gòu)就無法刻出來．因此．我們還需要一個(gè)能精確移動(dòng)萬分之一頭發(fā)絲直徑的“篆刻”工作臺(tái)來移動(dòng)我們的“刻刀”，我們熟悉的刻度尺，其分度值一般為1 mm．比這個(gè)工作臺(tái)粗略了約10萬倍！

如此苛刻的條件使得極紫外光光刻機(jī)成了人類工業(yè)文明的標(biāo)志，雖然截至目前．世界上沒有一個(gè)國家可以獨(dú)立地生產(chǎn)極紫外光光刻機(jī)，但是我想，同學(xué)們?nèi)绻米约核鶎W(xué)的物理知識(shí)去關(guān)注國家戰(zhàn)略需求的最前沿，那么在更好地理解自己所學(xué)知識(shí)的同時(shí)．可以發(fā)現(xiàn)自己距離科技前沿并不是那么遙遠(yuǎn)．物理可以改變世界，學(xué)好物理的你也可以．