制造一台光刻机，究竟有多难？

撰文 | 王智豪（中国科学院长春光学精密仪器与物理研究所）

在通讯和网络相关领域中，芯片起着至关重要的作用。由于众所周知的原因，大众对于芯片制造行业越来越关注。

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我们常说的芯片也就是集成电路，是指通过一系列特定平面制造工艺将各种元器件“集成”在一块半导体单晶片上，并封装在一个保护外壳内，这种复杂的电子系统能执行特定功能。而纵观整个芯片制造流程，其中最复杂也是最前沿的莫过于光刻机。

为什么是7nm

“10nm”“7nm”“5nm”这些词大家想必都不陌生。2018年，中微半导体成功研制7nm的刻蚀机，这是国产造芯的一大进步。（但是成功研制刻蚀机并不代表我们就有能够制造7nm制程的芯片的实力，原因后面会讲到。）

这些数字指的是什么？为什么我们需要所谓7nm的光刻机呢？

芯片界有一个著名的定律——摩尔定律，即集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每24个月增加一倍，当然对应的理论性能也能增加一倍。但如何在同样尺寸的芯片上增加晶体管数量呢？当然就是把晶体管做小，提高晶体管密度。

 “7nm”中的数字最初指的就是晶体管中的沟道长度，它也是区分半导体加工技术换代的重要标志（当然现在的命名更多的是代表技术迭代，其实是要长于7nm的）。想把晶体管越做越小，自然需要更精密的刻刀——光刻机，所谓7nm光刻机就是光刻机能刻蚀的最大分辨率。

光刻的原理非常简单，和胶片相机的原理很相似。光线通过刻有电路图案的板子（我们可以叫他掩模版），硅片上的光刻胶曝光，曝光后的光刻胶会发生性质变化，从而将掩模版上的图案复制到硅片上。原理简单，难的是如何实现更精确的光刻。

光刻不难，难的是更精确地光刻

光刻机种类主要分为三种。

第一种是接近接触式光刻，这也是结构最简单的光刻机。将掩模版与被刻基片尽可能接近，然后紫外光会对光刻胶进行曝光。它最大的问题在于：如果要制造芯片，就必须制作同等精细度的掩模版（变成了套娃）。此外掩模版可能与光刻胶直接接触，可能对芯片造成污染。因此这种光刻机只能达到微米级。

第二种是直写光刻，直写光刻就像是打印，直接用强激光束将所需电路一点点刻出来，听到这里你可能已经发现了它的缺点，太慢了。纳米级的激光束在芯片上刻出电路的效率太低，不适于工业化制造。

第三种是目前芯片最主要的光刻方式，也是本文主要介绍的光刻方式——光学投影式光刻，它也是目前能实现的精度与效率最好的光刻手段。和直写光刻的打印过程不同，光学投影式光刻就像是复印，掩模版上的图案经过光学系统投影后被缩小，再曝光到硅片上，就能实现最小纳米级的雕刻工艺。但是光学投影式光刻机问题是结构复杂，价格昂贵。