撰文 | 王智豪（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密儀器與物理研究所）

在通訊和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)領(lǐng)域中，芯片起著至關(guān)重要的作用。由于眾所周知的原因，大眾對于芯片制造行業(yè)越來越關(guān)注。

圖片來源：veer圖庫

我們常說的芯片也就是集成電路，是指通過一系列特定平面制造工藝將各種元器件“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片上，并封裝在一個(gè)保護(hù)外殼內(nèi)，這種復(fù)雜的電子系統(tǒng)能執(zhí)行特定功能。而縱觀整個(gè)芯片制造流程，其中最復(fù)雜也是最前沿的莫過于光刻機(jī)。

為什么是7nm

“10nm”“7nm”“5nm”這些詞大家想必都不陌生。2018年，中微半導(dǎo)體成功研制7nm的刻蝕機(jī)，這是國產(chǎn)造芯的一大進(jìn)步。（但是成功研制刻蝕機(jī)并不代表我們就有能夠制造7nm制程的芯片的實(shí)力，原因后面會(huì)講到。）

這些數(shù)字指的是什么？為什么我們需要所謂7nm的光刻機(jī)呢？

芯片界有一個(gè)著名的定律——摩爾定律，即集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目大約每24個(gè)月增加一倍，當(dāng)然對應(yīng)的理論性能也能增加一倍。但如何在同樣尺寸的芯片上增加晶體管數(shù)量呢？當(dāng)然就是把晶體管做小，提高晶體管密度。

 “7nm”中的數(shù)字最初指的就是晶體管中的溝道長度，它也是區(qū)分半導(dǎo)體加工技術(shù)換代的重要標(biāo)志（當(dāng)然現(xiàn)在的命名更多的是代表技術(shù)迭代，其實(shí)是要長于7nm的）。想把晶體管越做越小，自然需要更精密的刻刀——光刻機(jī)，所謂7nm光刻機(jī)就是光刻機(jī)能刻蝕的最大分辨率。

光刻的原理非常簡單，和膠片相機(jī)的原理很相似。光線通過刻有電路圖案的板子（我們可以叫他掩模版），硅片上的光刻膠曝光，曝光后的光刻膠會(huì)發(fā)生性質(zhì)變化，從而將掩模版上的圖案復(fù)制到硅片上。原理簡單，難的是如何實(shí)現(xiàn)更精確的光刻。

光刻不難，難的是更精確地光刻

光刻機(jī)種類主要分為三種。

第一種是接近接觸式光刻，這也是結(jié)構(gòu)最簡單的光刻機(jī)。將掩模版與被刻基片盡可能接近，然后紫外光會(huì)對光刻膠進(jìn)行曝光。它最大的問題在于：如果要制造芯片，就必須制作同等精細(xì)度的掩模版（變成了套娃）。此外掩模版可能與光刻膠直接接觸，可能對芯片造成污染。因此這種光刻機(jī)只能達(dá)到微米級(jí)。

第二種是直寫光刻，直寫光刻就像是打印，直接用強(qiáng)激光束將所需電路一點(diǎn)點(diǎn)刻出來，聽到這里你可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了它的缺點(diǎn)，太慢了。納米級(jí)的激光束在芯片上刻出電路的效率太低，不適于工業(yè)化制造。

第三種是目前芯片最主要的光刻方式，也是本文主要介紹的光刻方式——光學(xué)投影式光刻，它也是目前能實(shí)現(xiàn)的精度與效率最好的光刻手段。和直寫光刻的打印過程不同，光學(xué)投影式光刻就像是復(fù)印，掩模版上的圖案經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)投影后被縮小，再曝光到硅片上，就能實(shí)現(xiàn)最小納米級(jí)的雕刻工藝。但是光學(xué)投影式光刻機(jī)問題是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。