光刻机 信息时代的制造之王(2)
可以这样说，作为信息时代的制造之王，光刻机所加工的各类“芯片”无处不在，无所不能。
当然，面对市场复杂多样的需求，光刻机自然不可能一招“包打天下”。根据不同的应用场景，目前的主流光刻机可以分为接近接触式、投影式以及直写式光刻机三类。每种光刻机的工作原理各有不同，具有不同的特点，因而适用于不同的加工场景(图6)。
接近接触式光刻机
在工作过程中，接近接触式光刻机具有微纳图形结构的模具(掩模版)与待加工结构表面相互接触，在紫外光的照射下，将掩模版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(图7)：利用已有的图形，阻挡光线的传播，从而形成明暗相间的图形分布，结合待加工表面感光胶的感光特性，记录下我们所需要的图形。
, 百拇医药
图6光刻主要类型
图7“手影”示意图
该种方法的特点是设备结构相对简单、加工效率高、成本低，具有易实现大芯片面积曝光、使用方便、焦深长、工艺适应性强等优点；不过，也存在分辨力低、曝光图形质量差、工艺一致性差等缺点，仅能实现图形1：1的复制，无法进一步缩小复制图形，它能够加工出的最细线条仅在微米量级。
尽管接近接触式光刻机存在不足，但作为目前器件制造中应用十分广泛的一种复制型光刻方法，在光刻分辨力相对要求低、芯片面积大、厚胶和非标基片等场景，集成电路(IC)和平板显示以外的各种器件基本以该种光刻方法为主。
接近接触式光刻包括手动式、半自动式和全自动式三种。手动式是指上下片、对准、曝光全部以手动操作为主；半自动式是指除上下片外，对准和曝光全部采用自动操作模式；全自动式则是指预对准、上下片、对准和曝光全部采用自动操作。
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投影式光刻机
投影式光刻机的工作原理类似于照相机(图8)，在工作过程中，将掩模版(外部影像)通过投影物镜(透镜)成像到基片(感光介质表面)。
由于投影式光刻机采用了投影式的工作方式，掩模与基片不再相互接触，极大地避免了对掩模或基片的损伤；而且，利用投影镜头改变其缩小倍率，可以加工出比掩模版图形更为细小的结构。除此以外，投影式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，投影式光刻机自问世以来一直都是光刻机领域的主流光刻设备。目前，GPU、FPGA、LED等高端芯片均采用投影式光刻机进行加工。
尽管工作原理类似，但投影式光刻机的复杂程度远超照相机，其内部包含了数十个关键分系统(图9)。在工作过程中，各个分系统密切配合，保证光刻机在高速工作状态下，依然能够实现高分辨力(13纳米线宽)以及高质量图形加工能力。
, http://www.100md.com
如今，最先进的投影式光刻机单台售价近10亿元，价格之高，令人咂舌。高昂的价格反映了该设备的价值和技术含量。也因此，投影式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。目前，全球仅有阿斯麦尔(ASML)、尼康(Nikon)、佳能(Canon)等少数企业具备量产高端投影式光刻机的能力。
图8投影式光刻机与照相机对比
图9投影式光刻机的结构示意图
直写式光刻机
从前面两种光刻机的介绍可以看出，这两种光刻机均采用“复制”工作模式，即都是将掩模上的图案“复制”到待加工表面，但掩模上的图案又是从哪里来的？这就需要用到我们接下来要介绍的直写式光刻机。
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直写式光刻机的工作原理类似于我们写字(图10)。在工作过程中，设备通过多种手段，将光束(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，从而完成任何我们想要的图形的加工。
直写式光刻机可以完成任意图形的加工，且加工精度极高，加工的最细线条可以达到纳米量级。不过，在图形的加工过程中，直写式光刻机是以点的方式进行加工的，工作效率极低且难以实现大面积直写，不适合大批量结构的制备，所以，目前主要作为掩模版的加工手段。
了解了光刻机的基本知识，或许有人会问：是不是有了光刻机，就能够制造芯片了？
还不行。
因为通过之前的介绍，我们很容易发现，从一个普通的基片到我们最后使用的芯片，中间要经过数百道工艺环节，其中任何一个环节出错，都将影响最终的芯片质量。光刻仅仅是其中最为关键的环节之一。就像我们作画一样：画图虽然很关键，但一幅好的作品也需要好的纸张、颜料、剪裁、装裱等材料和工序的配合。
一直以来，光刻机都在追求更高的信息容量，高分辨力、大面积、三维是其未来发展的主要方向。
在高分辨力方面，我们通过不断缩小所采用的光源的波長、增强投影物镜的最小线条成像能力等方式，以期达到不断缩小能够加工的最小线宽的目的；然而，这意味着，光刻机的制造难度以及制造成本将急剧增加，并且已逐步逼近其物理极限。, 百拇医药(唐燕 胡松 何渝)
接触、投影、直写“三干将”
当然，面对市场复杂多样的需求，光刻机自然不可能一招“包打天下”。根据不同的应用场景，目前的主流光刻机可以分为接近接触式、投影式以及直写式光刻机三类。每种光刻机的工作原理各有不同，具有不同的特点，因而适用于不同的加工场景(图6)。
接近接触式光刻机
在工作过程中，接近接触式光刻机具有微纳图形结构的模具(掩模版)与待加工结构表面相互接触，在紫外光的照射下，将掩模版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(图7)：利用已有的图形，阻挡光线的传播，从而形成明暗相间的图形分布，结合待加工表面感光胶的感光特性，记录下我们所需要的图形。
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图6光刻主要类型
图7“手影”示意图
该种方法的特点是设备结构相对简单、加工效率高、成本低，具有易实现大芯片面积曝光、使用方便、焦深长、工艺适应性强等优点；不过，也存在分辨力低、曝光图形质量差、工艺一致性差等缺点，仅能实现图形1：1的复制，无法进一步缩小复制图形，它能够加工出的最细线条仅在微米量级。
尽管接近接触式光刻机存在不足，但作为目前器件制造中应用十分广泛的一种复制型光刻方法，在光刻分辨力相对要求低、芯片面积大、厚胶和非标基片等场景，集成电路(IC)和平板显示以外的各种器件基本以该种光刻方法为主。
接近接触式光刻包括手动式、半自动式和全自动式三种。手动式是指上下片、对准、曝光全部以手动操作为主；半自动式是指除上下片外，对准和曝光全部采用自动操作模式；全自动式则是指预对准、上下片、对准和曝光全部采用自动操作。
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投影式光刻机
投影式光刻机的工作原理类似于照相机(图8)，在工作过程中，将掩模版(外部影像)通过投影物镜(透镜)成像到基片(感光介质表面)。
由于投影式光刻机采用了投影式的工作方式，掩模与基片不再相互接触，极大地避免了对掩模或基片的损伤；而且，利用投影镜头改变其缩小倍率，可以加工出比掩模版图形更为细小的结构。除此以外，投影式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，投影式光刻机自问世以来一直都是光刻机领域的主流光刻设备。目前，GPU、FPGA、LED等高端芯片均采用投影式光刻机进行加工。
尽管工作原理类似，但投影式光刻机的复杂程度远超照相机，其内部包含了数十个关键分系统(图9)。在工作过程中，各个分系统密切配合，保证光刻机在高速工作状态下，依然能够实现高分辨力(13纳米线宽)以及高质量图形加工能力。
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如今，最先进的投影式光刻机单台售价近10亿元，价格之高，令人咂舌。高昂的价格反映了该设备的价值和技术含量。也因此，投影式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。目前，全球仅有阿斯麦尔(ASML)、尼康(Nikon)、佳能(Canon)等少数企业具备量产高端投影式光刻机的能力。
图8投影式光刻机与照相机对比
图9投影式光刻机的结构示意图
直写式光刻机
从前面两种光刻机的介绍可以看出，这两种光刻机均采用“复制”工作模式，即都是将掩模上的图案“复制”到待加工表面，但掩模上的图案又是从哪里来的？这就需要用到我们接下来要介绍的直写式光刻机。
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直写式光刻机的工作原理类似于我们写字(图10)。在工作过程中，设备通过多种手段，将光束(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，从而完成任何我们想要的图形的加工。
直写式光刻机可以完成任意图形的加工，且加工精度极高，加工的最细线条可以达到纳米量级。不过，在图形的加工过程中，直写式光刻机是以点的方式进行加工的，工作效率极低且难以实现大面积直写，不适合大批量结构的制备，所以，目前主要作为掩模版的加工手段。
了解了光刻机的基本知识，或许有人会问：是不是有了光刻机，就能够制造芯片了？
还不行。
因为通过之前的介绍，我们很容易发现，从一个普通的基片到我们最后使用的芯片，中间要经过数百道工艺环节，其中任何一个环节出错，都将影响最终的芯片质量。光刻仅仅是其中最为关键的环节之一。就像我们作画一样：画图虽然很关键，但一幅好的作品也需要好的纸张、颜料、剪裁、装裱等材料和工序的配合。
更细 更大 更三维
一直以来，光刻机都在追求更高的信息容量，高分辨力、大面积、三维是其未来发展的主要方向。
在高分辨力方面，我们通过不断缩小所采用的光源的波長、增强投影物镜的最小线条成像能力等方式，以期达到不断缩小能够加工的最小线宽的目的；然而，这意味着，光刻机的制造难度以及制造成本将急剧增加，并且已逐步逼近其物理极限。, 百拇医药(唐燕 胡松 何渝)