撰文 | 王智豪（中國科學院長春光學精密儀器與物理研究所）

在通訊和網絡相關領域中，芯片起著至關重要的作用。由于眾所周知的原因，大眾對于芯片制造行業越來越關注。

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”在一塊半導體單晶片上，并封裝在一個保護外殼內，這種復雜的電子系統能執行特定功能。而縱觀整個芯片制造流程，其中最復雜也是最前沿的莫過于光刻機。

為什么是7nm

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

這些數字指的是什么？為什么我們需要所謂7nm的光刻機呢？

芯片界有一個著名的定律——摩爾定律，即集成電路上可以容納的晶體管數目大約每24個月增加一倍，當然對應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量呢？當然就是把晶體管做小，提高晶體管密度。

 “7nm”中的數字最初指的就是晶體管中的溝道長度，它也是區分半導體加工技術換代的重要標志（當然現在的命名更多的是代表技術迭代，其實是要長于7nm的）。想把晶體管越做越小，自然需要更精密的刻刀——光刻機，所謂7nm光刻機就是光刻機能刻蝕的最大分辨率。

光刻的原理非常簡單，和膠片相機的原理很相似。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，曝光后的光刻膠會發生性質變化，從而將掩模版上的圖案復制到硅片上。原理簡單，難的是如何實現更精確的光刻。

光刻不難，難的是更精確地光刻

光刻機種類主要分為三種。

第一種是接近接觸式光刻，這也是結構最簡單的光刻機。將掩模版與被刻基片盡可能接近，然后紫外光會對光刻膠進行曝光。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。因此這種光刻機只能達到微米級。

第二種是直寫光刻，直寫光刻就像是打印，直接用強激光束將所需電路一點點刻出來，聽到這里你可能已經發現了它的缺點，太慢了。納米級的激光束在芯片上刻出電路的效率太低，不適于工業化制造。

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——光學投影式光刻，它也是目前能實現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，光學投影式光刻就像是復印，掩模版上的圖案經過光學系統投影后被縮小，再曝光到硅片上，就能實現最小納米級的雕刻工藝。但是光學投影式光刻機問題是結構復雜，價格昂貴。