芯片藏身于城市中隨處可見的電子設備，智能手機、電腦、家電等都離不開它的控制。

小小的芯片集成了龐大規模的電路****。

把芯片放大，可以看到其內部存在著密密麻麻的線路排布，就像密集交織的高速公路，仿佛在極小的尺寸上建造了一座井然有序的電路城市。

芯片內部有多小呢？如今我們在工業上運用的芯片最小制程，也就是我們人類能創造出的微小尺寸，已經達到3nm，芯片內部可以集成上百億個晶體管。

芯片制造的“多層”思路

無數納米級的電子元件在芯片上錯落排布，是將每一個元件事先制好，再一個一個安放上去嗎？

不是！我們可以換個角度看待這個問題，在縱向仔細觀察，可以發現芯片是由一層層帶有不同圖案的片狀結構縱向壘疊而成。如果我們將每一層事先制好，再縱向累加，二維結構能疊加成三維器件，最后形成功能豐富的芯片。

現在我們的目標變成了如何制成有特定圖案的片狀結構。首先我們要有能夠用來印上電路圖的片狀材料，也就是我們常聽說的硅晶圓，這是一種純度極高的硅，經過加工后被切割成光滑、極薄的圓片。

接著，我們就像木匠，需要找到稱手的工具來雕刻圖案，要制成內部結構復雜且極其微小的芯片，對加工工具的尺寸要求極高。

聰明的我們找到了光這把刻刀，正是由于光具有豐富的波長，我們可以利用短波長的光來實現極其精細的加工。

我們希望通過光學曝光將圖紙上設計好的電路圖案轉移到硅晶圓上，但是光不能對硅材料產生影響，所以需要借助一個中間材料，也就是能直接和光相互作用的光刻膠。

要讓光實現圖案的信息的傳遞，可以利用將光完全擋住或完全通過的方式產生明暗圖案。光通過帶有電路圖案的擋光板（掩模版），可以復制掩模版的圖案信息，最后和硅晶圓表面上均勻覆蓋的光刻膠相互作用后，硅晶圓上出現了我們需要的圖案信息。

光刻成像曝光過程 | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons

光刻膠是光刻成像的主要承載介質，分為正膠和負膠，曝光區域更容易在顯影液中溶解的為正性光刻膠，曝光區域更不易在顯影液中溶解的是負性光刻膠。

曝光過程的兩種結果（正膠和負膠）|圖源Searchmedia - Wikimedia Commons

假設使用的是正性光刻膠，當曝光過程結束后，顯影液能夠溶解暴露在光下的光刻膠。接著再用化學物質溶解裸露的硅晶圓，遺留在硅晶圓表面的光刻膠能起到保護硅晶圓的作用，這就是刻蝕過程。

現在我們完成了目標，獲得了帶有特定電路圖案的硅晶圓。在這整個過程中，大致思路其實比較流暢，但芯片制造這項代表人類巔峰智慧的精密工程包含了無數嚴苛的要求。

芯片內部尺寸受到什么限制？

芯片的主要元件是晶體管，一塊大型芯片能有上百億個晶體管，當我們能制造越小的晶體管，芯片能容納的元件數越多，晶體管的功耗也會越低。

在芯片制造中，我們希望利用光在小尺度范圍中創造電路圖案，那么為什么光能實現這個效果呢？光的雕刻極限又在哪呢？

衍射

影響光的雕刻水準的主要原因是光的衍射效應。光是一種電磁波，在光刻傳播過程中衍射不可避免，曝光范圍就有了最小特征尺度。光的分辨率，也就是光刻膠依據光輻照來重建圖形的能力有了限制。

曝光過程的衍射 | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons

如下圖所示，當一束平行光經過一個狹縫，光會以無數子波的形式在傳播過程中相互干涉，形成明暗相間的衍射圖樣。

單縫衍射 | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons

也就是說在微小尺度上考慮光的傳播，有光區域不再和無光區域涇渭分明，而是出現了模糊地帶，一個理想物點發出的光經過障礙物邊緣后，會偏離幾何光學直線傳播的特點，不再形成一個理想像點。

這正是因為狹縫寬度和光波長尺度相當時，光的波動效果迎來了舞臺，光可以利用波動效果繞開障礙物，在空間中彌散開來，形成了光發散的衍射效果，導致曝光區域范圍不再精準，光的分辨率有了極限。

光的波動效果圖（對比直線傳播和波動效果） | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons

分辨率

在光學成像領域，分辨率是衡量分開相鄰兩個物點的像的能力。理想情況下，我們希望每個物點都能產生銳利的像點，但由于衍射，實際結果為有一定大小的光斑。如果兩個光斑（衍射圖樣）重疊程度過大，則像點難以分辨。

瑞利提出了一個有效的判據，分辨率計算公式為：

該分辨率表達式描述了兩個光斑時恰好能分辨的極限位置——當一個光斑的極大位置與另一個光斑的第一個零值點重合。其中，λ為照明光波長。

光斑不可分辨和恰好可分辨的極限情況 | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons

NA為數值孔徑，它描述了透鏡對光的匯聚能力，具體表現為平行光入射后的偏折程度（匯聚到焦點），計算表達式為：

數值孔徑（n為折射率）| 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons

瑞利判據常用來評價成像質量，而光刻系統是在光刻膠中成像的。光刻膠是一種高對比度的成像介質，在某些曝光條件下，雖然光學分辨率已經達到了瑞利判據的分辨極限以下，但光刻膠仍然可以呈現較好的成像結果，實現加工的目標。

光刻成像的分辨率為：

Rlitho為光刻系統可分辨的圖形周期；k1為工藝因子****。

光刻

芯片制造中光刻是最復雜、昂貴且關鍵的工藝，通常使用投影式光刻系統將掩模版的電路結構圖投射到硅晶片的表面。

光學透鏡可以聚集衍射光提高成像質量，在光刻技術中為得到盡可能小的圖案，在掩模板和光刻膠之間采用了一種具有縮小倍率的投影成像物鏡。

投影式光刻系統 | 圖源網絡

如何打磨光這把刻刀？

我們現在知道了：光的最小加工尺度（分辨率）決定了芯片能小到什么程度。如何來讓芯片變得更小呢？我們需要讓分辨能力更強，讓芯片上的電路城市功能更精進。

根據光刻分辨率公式中的三項，我們有了三種方案來打磨光這把刻刀。

增大光刻系統的數值孔徑

光刻成像系統中的投影物鏡的數值孔徑越大，分辨能力就越優越。具體操作是設計浸潤式光刻機，即在晶圓和投影物鏡最后一面鏡頭之間填充高折射率的介質。

縮短波長

光刻過程的光波長已經經歷了G線（432nm）、I線（365nm）、KrF(248nm)以及ArF(193nm)的深紫外波段的發展歷程，目前**13.5nm波長的極紫外光刻機（EUV)**已經投入使用。

減小工藝因子

通過優化光刻工藝參數也能提高光刻分辨率，如改善光照條件、光刻膠工藝和掩模版設計等，這些方法都能減小工藝因子k1，被稱為分辨率增強技術（RET）。

電磁波 | 圖源網絡

光是電磁波，因此包含了振幅、相位、偏振態和傳播方向等信息。光刻分辨率增強技術就是通過調控光的以上四種信息，讓光刻膠上獲得更細小的圖形結構。例如離軸照明技術可以改變振幅和相位，光學鄰近效應修正技術可以改變光波振幅，光源—掩模聯合優化可以改變光波的傳播方向、振幅和相位。

各個工藝節點和光刻技術的關系表 | 來源：薩科微半導體官網，ASML，中泰證券研究所

縱覽光刻機的發展歷程，我們的確在沿著不斷縮小波長的途徑上奔跑。觀察表中數據，當光源波長相同時，我們依然在不斷縮小制程，這是數值孔徑、工藝因子以及其他復雜技術的功勞。

審核編輯：劉清