你們老問的光刻機？來了

人與自然的互動，人對自然無止境的探求穿越歷史的長河綿延不息。眾所周知，光速是我們所接觸的物質世界裡最極致的速度，追逐光成為一件極其勵志卻又是人類自身能力所不及的事情。古有夸父逐日的神話傳說，夸父最終「未至，道渴而死」，但這份氣魄卻撼動人心。

隨著現代科技的迅猛發展，如今人類已經可以做到對光的有效控制，甚至可以把光的足跡留下，使之呈現在微觀視野里。例如被稱作信息時代製造母機的光刻機，便是人與光較量之下的智慧結晶。

中科院光電技術研究所研製的中紫外光刻機

何謂「母機」？首先肯定不是「母雞中的戰鬥機」了。母機是指用來製造工具的工具。信息時代的基礎是什麼，晶元！而光刻機正是製造晶元的工具，故可以稱其為信息時代的製造母機。

人類社會的發展離不開製造工具的進步

工欲善其事，必先利其器。人類從石器時代、鐵器時代、機器時代，再到現在的信息技術時代，始終離不開製造工具的進步。以工業革命為例，進入工業時代後，科技發展相繼推動了四次工業革命，都是以生產工具的進步為標誌：第一次工業革命的代表是蒸汽機，以機器代替了手工；第二次工業革命的標誌是內燃機，電力被廣泛使用；第三次工業革命是以計算機為標誌，集成電路被廣泛使用，晶元是計算機的基礎；第四次工業革命是計算機加互聯網、物聯網、移動通訊，網路被廣泛使用，晶元仍然是基礎。

總結起來，人類社會經歷了前工業時代、工業時代和後工業時代。後工業時代包括現在的工業3.0、工業4.0，製造母機都是光刻機，這就相當於工業時代的機床，前工業時代的人手。

但與人手、機床這樣的原始工具不同，光刻機以光作為刀具。由於光的波長極短，典型的在百納米量級，所以光刻刀具極其鋒利，業內叫做光刻分辨力。光刻的工藝也極其複雜。先通過對基底塗覆感光膠曝光，顯影后形成原始圖形；而後通過薄膜、刻蝕、注入等形成一層結構；再通過塗膠和套准曝光、顯影和薄膜、刻蝕、注入等工藝形成第二層結構直至N層結構。複雜的晶元需要上百次套刻和數千道工藝、幾百種設備才能完成，可以說工藝極複雜，結構超微細——頭髮的直徑約為80微米，而最先進的光刻機加工能力能夠達到22納米，是頭髮直徑的1/3600，能夠在頭髮表面加工各種複雜結構！

明代《核舟記》記載：「明有奇巧人曰王叔遠，能以徑寸之木為宮室、器皿、人物......通計一舟，為人五，為窗八，為箬篷，為楫，為爐，為壺，為手卷，為念珠各一；........嘻，技亦靈怪矣哉！」而光刻機工藝可以將《三國演義》上下冊100多萬字輕鬆刻在0.1mmX0.1mm基底上，其技兆倍於王叔遠也！

結構的超精細和高度複雜，實際上是為了適應人類生活中對複雜而靈活的功能晶元的需求。光刻機所加工製作的晶元（器件或系統），在平板顯示、通訊、計算機、航空航天、生物醫學等領域取得廣泛應用，其影響無所不在、無所不能。

以日常生活中的常見事物為例：LED燈是節能環保的綠色能源，它正是利用光刻機加工出的微納結構（P、N結）實現發光；電視、手機、電腦之所以能夠顯示各種圖像，是源於光刻機在面板內部加工出每個像素對應的多種微納結構；計算機更是光刻技術的集中體現，CPU、內存、主板、顯卡等都是光刻加工的產物，正是得益於光刻機技術的進步（最小加工尺寸減小），使得我們的CPU越來越快、內存越來越大；汽車之所以知道空調溫度、安全帶是否繫緊、車門是否關好、當前車速、油量等等信息，正是源於利用光刻技術所加工的各種微型感測器；機器人之所以能夠完成各種複雜動作，也是利用光刻機所加工的各種控制晶元、感測器，實現運動控制；利用光刻機加工的納米微針，能夠實現無痛注射，減輕病人痛苦……光刻機的應用在現代生活中不勝枚舉。

光刻機可以分為接近接觸式光刻、直寫式光刻、以及投影式光刻三大類。接近接觸式通過無限靠近，複製掩模板上的圖案；投影式光刻採用投影物鏡，將掩模板上的結構投影到基片表面；而直寫，則將光束聚焦為一點，通過運動工件台或鏡頭掃描實現任意圖形加工。光學投影式光刻憑藉其高效率、無損傷的優點，一直是集成電路主流光刻技術。

投影光刻機曝光成像與照相機原理相似，都是將已有圖像成像到記錄介質上，所不同的是照相機記錄的是外部景觀，而光刻機的圖像是基於掩模版；照相機利用感光元件存儲光影數據，光刻機的記錄介質是基片。更核心的區別是，光刻機成像最小圖形尺寸為22納米，而相機僅為8微米左右，光刻機分辨細節的能力相當於相機的360倍；光刻機能夠加工12英寸基片，而相機成像單元尺寸目前最大僅為 36mm×24mm。

光刻技術一直追求更高的信息容量和更高的功能密度。大面積、高分辨力以及三維立體光刻是光刻的主要發展趨勢。我們的電視更大、電腦更快，離不開光刻技術的發展。高分辨力一直是集成電路重要追求目標，但傳統光刻機無一例外受到衍射極限的限制，前面提到光的波長極短，但遺憾的是並不是為零，這個有限的長度就決定了光作為刀具，其鋒刃的最小厚度，也只能到光波長量級。雖然多年的努力，人們已經可以讓光刀鋒刃的厚度顯著地小于波長，但繼續前行的困難越來越大。

目前，中國科學院光電技術研究所繞開傳統的193納米曝光的技術路線，採用365nm汞燈光源得到一個突破衍射極限的解析度的圖形，單次成像可以達到22納米。2016年，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的一個團隊打破了物理極限，將原有的最精尖的晶體管製程從14nm縮減到了1nm。

信息時代為我們展現的不僅是人與各種物理極限的博弈，更有全球科學家對摩爾定律的捍衛和彼此競爭。你，有興趣參與挑戰嗎？

來源：中國科學院光電技術研究所

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