光刻
用光把图案投影到光敏涂层上，然后刻蚀
光刻用光把图案印到硅晶圆上，很像隔着模板冲洗照片。它一次一层地画出计算机芯片上数十亿个晶体管和导线。你手机里的每一颗芯片都经历了几十次光刻。
工作原理
旋涂光刻胶。 晶圆上已经有一层待图形化的薄层，比如氧化硅或金属。几滴光刻胶（对光敏感的液态塑料）滴在上面，晶圆以每分钟几千转旋转，留下厚约一微米或更薄的均匀薄膜。再短时间烘烤使其干燥。
对准并曝光。 掩模（用铬在玻璃板上刻出某一层图案，也叫光罩）与晶圆上已有的图案对准，先进芯片上的对准精度可达几纳米以内。紫外光穿过它的透明部分，透镜把图像缩小（通常缩小四倍）投到光刻胶上。这台机器称为步进机或扫描机，逐个视场在整片晶圆上重复。
显影。 显影液流过晶圆。用最常见的正性光刻胶时，被光照到的区域溶解，留下与掩模透明区形状相同的开口。
蚀刻。 在等离子刻蚀机（充满带电气体的腔室）中，等离子体只在光刻胶有开口的地方侵蚀该层；其他地方有光刻胶保护。开口处也可以不刻蚀，而是沉积新材料或注入原子。
去膜。 剩余的光刻胶用溶剂或氧等离子体去除。图案现在已经存在于该层本身。
重复。 再加一层新的材料，用下一块掩模重新开始循环，每个图案都与下面的对准。一颗先进芯片要经历几十次这样的循环。
关键数据
- 材料
- 涂有光刻胶的硅晶圆；也有玻璃、化合物半导体和电路板
- 典型零件
- 逐层叠加的平面图案：晶体管、布线、传感器、显示器背板
- 零件尺寸
- 晶圆最大直径 300 mm；一次曝光覆盖约 26 × 33 mm 的视场
- 精度
- 简单的实验室对准机约一微米；193 nm 激光约几十纳米；EUV（13.5 nm）光约 10 nm
- 表面质量
- 本身不留任何纹理；图案化的晶圆闪着彩虹般的颜色
- 适合的批量
- 大规模生产：一套掩模可服务几千片晶圆，每片晶圆上有几百到几千颗芯片
- 模具与设备成本
- 实验室掩模对准机：几万到几十万美元；EUV 光刻机：几亿美元；一套先进掩模：几百万美元
- 速度
- 一台生产型扫描机每小时曝光约 100–300 片晶圆，每片一层
优点与局限
优点
- 并行图形化整片晶圆：同时处理数十亿个特征
- 借助现代扫描机能达到纳米级细节
- 重复性极高：是所有芯片生产的支柱
- 大批量时每个晶体管的成本极低
局限
- 机器、掩模和洁净室都极其昂贵
- 光的波长限制了最细的细节
- 只能做平面层；三维结构由几十层叠加而成
- 需要无尘、无振动的房间，并在黄光下工作
应用领域
- 电子处理器、存储芯片、相机图像传感器
- 显示器LCD 和 OLED 屏幕背后的晶体管阵列
- 传感器与 MEMS加速度计、麦克风、压力传感器
- 光子学LED 芯片、激光二极管、芯片上的光波导
- 电路板铜线路，用干膜光刻胶图形化
- 研究微流控“芯片实验室”器件
如何识别
- 这些图案肉眼看不见。最细的线比头发细几千倍，要用电子显微镜才能看到。它们藏在你手机、笔记本电脑和汽车里的每一颗芯片中，也藏在屏幕的每一个像素后面。
- 彩虹般的闪光。把一片裸晶圆或芯片裸片在光下倾斜，它会闪出彩虹色：它规则的图案像 CD 一样把光分开。
- 黄光房间。在工厂照片里，光刻区域发出黄光，因为光刻胶对黄光不敏感。
- 电路板。绿色电路板上的细铜线路也是靠光穿过掩模来定义的，只是尺度粗得多。
对比
观看
TED-Ed · 芯片制造及光刻所处位置的简短动画概览
Branch Education · 每个晶圆厂工序的详细 3D 动画，包括扫描机
Conformable Decoders · 真实的实验室光刻，分步演示
ASML · 最先进的扫描机如何产生 EUV 光
查看实拍照片
- 维基百科：光刻 — 工序示意图和光刻设备照片
- 维基共享资源图片搜索
记住
- 光刻一次印出整个芯片层，就像隔着模板冲洗照片。
- 涂胶、曝光、显影、刻蚀、去胶，然后重复：每颗芯片要几十个周期。
- 波长更短的光能印出更精细的细节，这就是 EUV 设备存在的原因。
