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、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構對準套刻曝光。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、烘烤設備、清洗設備、薄膜設備（PVD、CVD、EVD、PECVD、MOCVD等）、刻蝕設備（反應離子刻蝕、氣體刻蝕、液體腐蝕等）、離子注入設備等工藝設備及過程檢測設備（膜厚、形貌、缺陷、線寬、套刻精度等檢測儀器）。其中，技術難度最大、成本最高且最為關鍵的設備是光刻機。

發(fā)絲上畫足球場

俗話說：“工欲善其事，必先利其器?！焙玫墓ぞ咴谥圃爝^程中起著關鍵性作用。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、具有宏觀結構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。我們人類的頭發(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?，計算它的長度，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，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構；電腦里面的CPU能夠實現(xiàn)各種快速運算，依靠的是其內部由光刻機加工出來的各種微納結構；家用汽車之所以能夠實時感知車內車速、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構的模具（掩模版）與待加工結構表面相互接觸，在紫外光的照射下，將掩模版上的圖形轉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備結構相對簡單、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、工藝適應性強等優(yōu)點；不過，也存在分辨力低、曝光圖形質量差、工藝一致性差等缺點，僅能實現(xiàn)圖形1：1的復制，無法進一步縮小復制圖形，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用十分廣泛的一種復制型光刻方法，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構。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域的主流光刻設備。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雜程度遠超照相機，其內部包含了數(shù)十個關鍵分系統(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，依然能夠實現(xiàn)高分辨力（13納米線寬）以及高質量圖形加工能力。

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備的價值和技術含量。也因此，投影式光刻機被認為是半導體制造業(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“復制”工作模式，即都是將掩模上的圖案“復制”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，不適合大批量結構的制備，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量。光刻僅僅是其中最為關鍵的環(huán)節(jié)之一。就像我們作畫一樣：畫圖雖然很關鍵，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。

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；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，芯片內部結構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。現(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光子芯片，并且擁有該項技術的完全知識產(chǎn)權。

在大面積方面，大面積光刻機主要應用于顯示產(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的出現(xiàn)，該類設備不再僅以大為追求目標，如何在大的基礎上降低最小加工線寬，將成為該類光刻設備發(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，即通過三維結構代替二維圖形，以進一步提高信息容量。