光刻机 信息时代的制造之王(1)
当用手机尽情刷着微博、抖音或者在电脑上畅玩大型游戏、追热门剧集时，人们无不感叹人工智能、大数据、云计算的神奇，并为处在这样一个科技高速发展的时代而自豪。不过，很多人或许并不知道，芯片在其中所起的作用究竟有多大。我们的日常生活中，到处都有芯片的影子。芯片不只被安装在电脑里，还存在于我们的手机、电视机、空调、热水器里，甚至就连生活中司空见惯的遥控器也离不开芯片。
如今芯片在人们生活的方方面面扮演着如此重要的角色，那么，它们究竟是怎么制造出来的呢？
芯片的主要原材料—硅经过晶圆制造、前道工艺、封装工艺等一系列精细、复杂的处理过程，才能演变成芯片(如图1所示)。作为芯片制造的核心，前道工艺的每一层均需要使用光刻机进行图形转移套刻曝光，以便形成原始图形。其中，第一层需要将掩模版图形与基片外形对准曝光，其后的各块掩模版需要与基片上前面已完成的图形或结构对准套刻曝光。此外，每一层所需要的掩模版也是由光刻机制造的，所以，光刻机是芯片制造的母机。也可以说，光刻机是信息时代的制造母机，对芯片制造具有极大的影响。
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芯片前道工艺不仅需要光刻机，还需要匀胶机、烘烤设备、清洗设备、薄膜设备(PVD、CVD、EVD、PECVD、MOCVD等)、刻蚀设备(反应离子刻蚀、气体刻蚀、液体腐蚀等)、离子注入设备等工艺设备及过程检测设备(膜厚、形貌、缺陷、线宽、套刻精度等檢测仪器)。其中，技术难度最大、成本最高且最为关键的设备是光刻机。
俗话说：“工欲善其事，必先利其器。”好的工具在制造过程中起着关键性作用。制造工具的发展也经历了漫长的时间(如图2所示)。在前工业时代，人们以人手为工具，采用手工方式制造各种生产、生活用具；进入工业时代，机床代替了人手，完成各种精密元件的加工；随着科技的进步，人类进入信息时代，由机床制造的、具有宏观结构的器件已无法满足人们对高信息容量的需求，具有微米、纳米制造能力的光刻机成为新时代的制造之王。
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图1芯片制备流程示意图
图2制造工具的发展过程
顾名思义，所谓光刻机，是以光为媒介，刻画微纳于方寸之间，实现各种微米甚至纳米级别的图形加工。目前，最先进的光刻机能够加工的最细线条已经达到13纳米。我们人类的头发丝直径在50～70微米左右，利用光刻手段能刻画出只有头发丝直径1/5000的线条。
明末著名散文家魏学洢有一篇著名的散文，名叫《核舟记》。文章开篇即说：“明有奇巧人曰王叔远，能以径寸之木，为宫室、器皿、人物，以至鸟兽、木石，罔不因势象形，各具情态。”作者接下来说，王叔远曾经送给自己一个用桃核雕刻成的小船，刻的是苏轼乘船游赤壁的图案。这枚桃核小舟上统共雕刻了5个人、8扇窗户，还有用箬竹叶做的船篷、船桨、炉子、茶壶、手卷、念珠各一件，对联、题名和篆文等文字共计34个。可是，计算它的长度，竟然还不满一寸。作者最后不免感叹其人的技艺当真高超。
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在现实生活中，确实有类似《核舟记》中提到的微雕小舟，它雕于清代，如今被收藏于台北故宫博物院。这枚用橄榄核雕刻而成的小舟，其题材取自苏东坡的《后赤壁赋》：在小小的船舱中，苏东坡和两位客人悠然坐于舱内，面前的桌子上杯盘狼藉。在船舱外，还雕有童子、船夫和舵手。人物虽小，细致生动的表情却各有不同。
古人通过手工方式在核桃、橄榄核上雕刻出一叶扁舟已属精妙绝伦；今人不遑多让，能够利用信息时代制造出的工具—光刻机，在一根头发丝上刻画出图形，甚至能够刻画出一座足球场(图4)。
对于普通人而言，在现实生活中用的都是能够看得见、摸得着的东西；光刻机这种“高精尖”的设备是不是太过曲高和寡，和人们的距离太过遥远了？其实不然。
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图3光刻图形
图4在头发丝上刻画的图形
图5光刻芯片应用举例
事实上，光刻机如今已经渗透到我们生活的方方面面(图5)：我们用的电脑、电视显示屏之所以能够呈现出色彩斑斓的各种图形，得益于光刻机在面板上加工的一个个像素图形；家用LED灯等产品之所以能够发光，正是源于其上通过光刻手段加工出来的正负极结构；电脑里面的CPU能够实现各种快速运算，依靠的是其内部由光刻机加工出来的各种微纳结构；家用汽车之所以能够实时感知车内车速、温度、胎压等情况，也是利用由光刻机加工出来的各种传感器。信息时代，光刻机不仅能够完成电脑CPU、FPGA(现场可编程门列阵)等传统意义上的芯片制造，而且是平板显示、LED、传感器等具有一定功能和一定集成度的“广义芯片”的主要加工手段。, 百拇医药(唐燕 胡松 何渝)
芯片如何造出来
如今芯片在人们生活的方方面面扮演着如此重要的角色，那么，它们究竟是怎么制造出来的呢？
芯片的主要原材料—硅经过晶圆制造、前道工艺、封装工艺等一系列精细、复杂的处理过程，才能演变成芯片(如图1所示)。作为芯片制造的核心，前道工艺的每一层均需要使用光刻机进行图形转移套刻曝光，以便形成原始图形。其中，第一层需要将掩模版图形与基片外形对准曝光，其后的各块掩模版需要与基片上前面已完成的图形或结构对准套刻曝光。此外，每一层所需要的掩模版也是由光刻机制造的，所以，光刻机是芯片制造的母机。也可以说，光刻机是信息时代的制造母机，对芯片制造具有极大的影响。
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芯片前道工艺不仅需要光刻机，还需要匀胶机、烘烤设备、清洗设备、薄膜设备(PVD、CVD、EVD、PECVD、MOCVD等)、刻蚀设备(反应离子刻蚀、气体刻蚀、液体腐蚀等)、离子注入设备等工艺设备及过程检测设备(膜厚、形貌、缺陷、线宽、套刻精度等檢测仪器)。其中，技术难度最大、成本最高且最为关键的设备是光刻机。
发丝上画足球场
俗话说：“工欲善其事，必先利其器。”好的工具在制造过程中起着关键性作用。制造工具的发展也经历了漫长的时间(如图2所示)。在前工业时代，人们以人手为工具，采用手工方式制造各种生产、生活用具；进入工业时代，机床代替了人手，完成各种精密元件的加工；随着科技的进步，人类进入信息时代，由机床制造的、具有宏观结构的器件已无法满足人们对高信息容量的需求，具有微米、纳米制造能力的光刻机成为新时代的制造之王。
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图1芯片制备流程示意图
图2制造工具的发展过程
顾名思义，所谓光刻机，是以光为媒介，刻画微纳于方寸之间，实现各种微米甚至纳米级别的图形加工。目前，最先进的光刻机能够加工的最细线条已经达到13纳米。我们人类的头发丝直径在50～70微米左右，利用光刻手段能刻画出只有头发丝直径1/5000的线条。
明末著名散文家魏学洢有一篇著名的散文，名叫《核舟记》。文章开篇即说：“明有奇巧人曰王叔远，能以径寸之木，为宫室、器皿、人物，以至鸟兽、木石，罔不因势象形，各具情态。”作者接下来说，王叔远曾经送给自己一个用桃核雕刻成的小船，刻的是苏轼乘船游赤壁的图案。这枚桃核小舟上统共雕刻了5个人、8扇窗户，还有用箬竹叶做的船篷、船桨、炉子、茶壶、手卷、念珠各一件，对联、题名和篆文等文字共计34个。可是，计算它的长度，竟然还不满一寸。作者最后不免感叹其人的技艺当真高超。
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在现实生活中，确实有类似《核舟记》中提到的微雕小舟，它雕于清代，如今被收藏于台北故宫博物院。这枚用橄榄核雕刻而成的小舟，其题材取自苏东坡的《后赤壁赋》：在小小的船舱中，苏东坡和两位客人悠然坐于舱内，面前的桌子上杯盘狼藉。在船舱外，还雕有童子、船夫和舵手。人物虽小，细致生动的表情却各有不同。
古人通过手工方式在核桃、橄榄核上雕刻出一叶扁舟已属精妙绝伦；今人不遑多让，能够利用信息时代制造出的工具—光刻机，在一根头发丝上刻画出图形，甚至能够刻画出一座足球场(图4)。
渗透日常生活
对于普通人而言，在现实生活中用的都是能够看得见、摸得着的东西；光刻机这种“高精尖”的设备是不是太过曲高和寡，和人们的距离太过遥远了？其实不然。
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图3光刻图形
图4在头发丝上刻画的图形
图5光刻芯片应用举例
事实上，光刻机如今已经渗透到我们生活的方方面面(图5)：我们用的电脑、电视显示屏之所以能够呈现出色彩斑斓的各种图形，得益于光刻机在面板上加工的一个个像素图形；家用LED灯等产品之所以能够发光，正是源于其上通过光刻手段加工出来的正负极结构；电脑里面的CPU能够实现各种快速运算，依靠的是其内部由光刻机加工出来的各种微纳结构；家用汽车之所以能够实时感知车内车速、温度、胎压等情况，也是利用由光刻机加工出来的各种传感器。信息时代，光刻机不仅能够完成电脑CPU、FPGA(现场可编程门列阵)等传统意义上的芯片制造，而且是平板显示、LED、传感器等具有一定功能和一定集成度的“广义芯片”的主要加工手段。, 百拇医药(唐燕 胡松 何渝)