光刻技术： 光刻技术的内涵和发展方向

如果您曾经思考过手机中的微型芯片，或者想知道为什么芯片如此重要，请继续阅读！答案始于光刻技术，更确切地说，是光刻技术。光刻技术为摩尔定律的延续做出了贡献，并引领了在硅片上制造微型芯片的重大进展。

硅晶片上的计算机芯片图片，由 Photonics Media 提供。

什么是平版印刷？
平版印刷术源于古希腊语 lithos，意为 "石头"，而 graphein 意为 "书写"，它是一种利用油和水的不溶性进行印刷的方法。德国作家兼演员阿洛伊斯-塞内费尔德于 1796 年发明了石版印刷术。当时平版印刷的主要用途是制作地图和乐谱。从那时起，这种印刷方法就被用于艺术创作和书籍印刷。

当然，自 1796 年以来，技术进步层出不穷，艺术和纸张印刷已不再是平版印刷的主要用途。现代光刻技术已发展到四大类型：光学光刻（光刻）、电子束光刻、X 射线光刻和离子束光刻。如今，光刻技术最显著的用途是生产各种电子设备（如手机、电脑和护理设备）中使用的半导体芯片。

什么是光刻技术？
光刻技术是利用光在硅片等基底上进行蚀刻的过程的总称。其过程如下：在基底上涂覆一层感光化学薄膜，称为光刻胶。然后在光刻胶上放置一个光学掩膜或 "网罩"。接着，光源照射到网罩上，网罩将设计图案转移到晶片上。光刻胶分为正性和负性两种。举例说明，负型光刻胶会遮盖所需的部分，从而形成一个立面。 正向光刻胶会遮盖我们想要保留的较大区域，形成凹槽。蚀刻后留下的就是掩膜区域。光刻通常使用紫外线和红外线光谱。这种工艺的常见用途是生产计算机芯片。事实上，在一个硅晶片上可以制作数百个微芯片。

描述光刻工艺的图片，左侧为阴性光刻胶，右侧为阳性光刻胶。Millipore Sigma 提供。

光刻技术为何重要？
1965 年，英特尔公司创始人之一戈登-摩尔为一本电子杂志撰写了一篇文章。在这篇文章中，他观察到硅芯片上的元件数量每年大约翻一番。摩尔定律是他对这一趋势将持续下去的预测。 多年来，由于制造技术的突破和创新的芯片设计，这一定律大致保持不变。

光刻技术最常用于芯片生产。使用光刻技术时，芯片上的特征可以达到纳米级。芯片上的特征越小，意味着在相同的空间内可以容纳更多的元件。这也是摩尔定律依然有效的一个重要因素。

光刻技术的最新发展
20 世纪 90 年代末，有人提议使用极紫外光 (EUV) 进行光刻。ASML 公司是利用光刻技术生产芯片的机器的领先制造商。ASML 是唯一一家在制造具有 EUV 功能的设备方面取得重大进展的公司。这些机器造价不菲，高达 1.5 亿美元，因此只有英特尔、台积电和三星等少数顶级芯片制造商才能负担得起。EUV 使用的波长为 13.5 纳米，必须在高真空室中运行。全世界都在等待这些机器投入大批量生产，以加快小型集成电路的生产，帮助减少最近的芯片短缺问题，重回正轨。

什么是 EUV？

ASML 的 EUV 光刻机内部。图片由 ASML 提供。

ASML 解释了极紫外光是如何在这些系统中产生的。CO2 激光器向快速移动的锡滴发射两个独立的激光脉冲。锡滴汽化，通过等离子体中的电子重组过程产生极紫外光，等离子体中含有高度电离的锡。这一过程每秒最多可进行 50,000 次，多个反射镜将超紫外光引导到晶片上。每次曝光时，晶片台都会将晶片置于光下四分之一纳米的范围内，并不断进行检查和调整。请阅读本文了解更多有关获取和聚焦用于光刻的极紫外光的过程。

这些新型超紫外光刻设备比以前的任何设备都更加精确，因此可以在芯片上制造出更小的元件。如上文所述，ASML 通过使用多面镜子来缩小光束，能够在其制造的芯片上制造出更小、更精确的特征。像 ASML 的 EUV 光刻机这样的机器将使摩尔定律 "继续存在"。当然，在此之前，EUV 机器是下一个目标。能够在这一系统中创造和使用 13.5 纳米的光是一项开创性的壮举。

下一步是什么？
现在，ASML 经销 EUV 系统已有几年时间。接下来，他们在继续生产以前的 EUV 设备的同时，还在开发新的 "高 NA "EUV。NA 代表数值孔径，与图像分辨率有关。系统的 NA 与所使用的波长相结合，决定了最小可打印特征的尺寸。ASML 和英特尔正在合作开展这项工作，ASML 负责制造系统，英特尔预计将于 2025 年开始生产。新机器将改进光刻技术，降低设备复杂性、成本、周期时间和能耗。高 NA 系统的 NA 值为 0.55，比以前 EUV 系统的 0.33 有所提高。这将为更小的特征提供更高的分辨率。