芯片立足于城市中遍地可见的电子树立，智高手机、电脑、家电等齐离不开它的端正。

小小的芯片集成了庞杂规模的电路。

把芯片放大，不错看到其里面存在着密密匝匝的廓清排布，就像密集交汇的高速公路，仿佛在极小的尺寸上建造了一座鱼贯而入的电路城市。

芯片结构图（肉眼和微不雅） | 图源pixabay

芯片里面有多小呢？如今咱们在工业上期骗的芯片最小制程，也便是咱们东说念主类能创造出的微小尺寸，依然达到 3nm，芯片里面不错集成上百亿个晶体管。

芯片制造的“多层”想路

开阔纳米级的电子元件在芯片上强大排布，是将每一个元件预先制好，再一个一个安放上去吗？

图源pixabay（上）；Searchmedia - Wikimedia Commons（下）

不是！咱们不错换个角度看待这个问题，在纵向仔细不雅察，不错发现芯片是由一层层带有不同图案的片状结构纵向垒叠而成。若是咱们将每一层预先制好，再纵向累加，二维结构能叠加成三维器件，终末变顺利能丰富的芯片。

纵向不雅察芯片里面结构 | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

当前咱们的蓄意变成了如何制成有特定图案的片状结构。最初咱们要有大致用来印上电路图的片状材料，也便是咱们常传奇的硅晶圆，这是一种纯度极高的硅，经过加工后被切割成光滑、极薄的圆片。

硅晶圆 | 图源pixabay（左）；Searchmedia - Wikimedia Commons（右）

接着，咱们就像木工，需要找到称手的用具来雕镂图案，要制成里面结构复杂且极其微小的芯片，对加工用具的尺寸要求极高。

明智的咱们找到了光这把刻刀，恰是由于光具有丰富的波长，咱们不错利用短波长的光来完毕极其精采的加工。

可见光的丰富波长（不可见光波长更丰富） | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

咱们但愿通过光学曝光将图纸上想象好的电路图案回荡到硅晶圆上，可是光不可对硅材料产生影响，是以需要借助一个中间材料，也便是能径直和光互相作用的光刻胶。

旋涂在硅晶片上的光刻胶（靠旋转离心力均匀遮蔽）| 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

要让光完毕图案的信息的传递，不错利用将光全齐挡住或全齐通过的格局产生明暗图案。光通过带有电路图案的挡光板（掩模版），不错复制掩模版的图案信息，终末和硅晶圆名义上均匀遮蔽的光刻胶互相作用后，硅晶圆上出现了咱们需要的图案信息。

光刻成像曝光历程 | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

光刻胶是光刻成像的主要承载介质，分为正胶和负胶，曝光区域更容易在显影液中溶化的为正性光刻胶，曝光区域更不易在显影液中溶化的是负性光刻胶。

曝光历程的两种完了（正胶和负胶）|图源Searchmedia - Wikimedia Commons

假定使用的是正性光刻胶，当曝光历程扫尾后，显影液大致溶化理会在光下的光刻胶。接着再用化学物资溶化线路的硅晶圆，留传在硅晶圆名义的光刻胶能起到保护硅晶圆的作用，这便是刻蚀历程。

当前咱们完成了蓄意，得回了带有特定电路图案的硅晶圆。在这统统这个词历程中，省略想路其实比拟通顺，但芯片制造这项代表东说念主类巅峰灵巧的精密工程包含了开阔严苛的要求。

芯片里面尺寸受到什么为止？

芯片的主要元件是晶体管，一块大型芯片能有上百亿个晶体管，当咱们能制造越小的晶体管，芯片能容纳的元件数越多，晶体管的功耗也会越低。

在芯片制造中，咱们但愿利用光在小设施范围中创造电路图案，那么为什么光能完毕这个恶果呢？光的雕镂极限又在哪呢？

1

衍射

影响光的雕镂水准的主要原因是光的衍射效应。光是一种电磁波，在光刻传播历程中衍射不可幸免，曝光范围就有了最小特征设施。光的折柳率，也便是光刻胶依据光放射来重建图形的才调有了为止。

曝光历程的衍射 | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

如下图所示，当一束平行光经过一个狭缝，光会以开阔子波的神色在传播历程中互关联涉，变成明暗相间的衍射图样。

单缝衍射 | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

也便是说在微小设施上沟通光的传播，有光区域不再和无光区域曲直分明，而是出现了暗昧地带，一个瞎想物点发出的光经过阻隔物角过期，会偏离几何光学直线传播的特质，不再变成一个瞎想像点。

这恰是因为狭缝宽度和光波长设施至极时，光的波动恶果迎来了舞台，光不错利用波动恶果绕开阻隔物，在空间中弥漫开来，变成了光发散的衍射恶果，导致曝光区域范围不再精确，光的折柳率有了极限。

光的波动恶果图（对比直线传播和波动恶果） | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

2

折柳率

在光学成像规模，折柳率是推测分开相邻两个物点的像的才调。瞎想情况下，咱们但愿每个物点齐能产生尖锐的像点，但由于衍射，本体完了为有一定大小的光斑。若是两个光斑（衍射图样）通常进程过大，则像点难以折柳。

瑞利提倡了一个有用的判据，折柳率计较公式为：

该折柳率抒发式描述了两个光斑时恰恰能折柳的极限位置——当一个光斑的极大位置与另一个光斑的第一个零值点重合。其中，λ为照明光波长。

光斑不可折柳和恰恰可折柳的极限情况 | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

NA 为数值孔径，它描述了透镜对光的累积才调，具体发扬为平行光入射后的偏折进程（累积到焦点），计较抒发式为：

数值孔径（n 为折射率）| 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

瑞利判据常用来评价成像质料，而光刻系统是在光刻胶中成像的。光刻胶是一种高对比度的成像介质，在某些曝光要求下，天然光学折柳率依然达到了瑞利判据的折柳极限以下，但光刻胶仍然不错呈现较好的成像完了，完毕加工的蓄意。

光刻成像的折柳率为：

Rlitho 为光刻系统可折柳的图形周期；k1 为工艺因子。

3

光刻

芯片制造中光刻是最复杂、奋斗且要津的工艺，通常使用投影式光刻系统将掩模版的电路结构图投射到硅晶片的名义。

光学透镜不错趋奉衍射光普及成像质料，在光刻期间中为得到尽可能小的图案，在掩模板和光刻胶之迤逦纳了一种具有收缩倍率的投影成像物镜。

投影式光刻系统 | 图源汇集

如何打磨光这把刻刀？

咱们当前知说念了：光的最小加工设施（折柳率）决定了芯片能小到什么进程。如何来让芯片变得更小呢？咱们需要让折柳才调更强，让芯片上的电路城市功能更精进。

左证光刻折柳率公式中的三项，咱们有了三种有蓄意来打磨光这把刻刀。

·增大光刻系统的数值孔径

光刻成像系统中的投影物镜的数值孔径越大，折柳才调就越优胜。具体操作是想象浸润式光刻机，即在晶圆和投影物镜终末一面镜头之间填充高折射率的介质。

·裁减波长

光刻历程的光波长依然履历了 G 线（432nm）、I 线（365nm）、KrF（248nm）以及 ArF（193nm）的深紫外波段的发展历程，当前 13.5nm 波长的极紫外光刻机（EUV）依然参加使用。

·减小工艺因子

通过优化光刻工艺参数也能普及光刻折柳率，如改善光照要求、光刻胶工艺和掩模版想象等，这些要领齐能减小工艺因子 k1，被称为折柳率增强期间（RET）。

光是电磁波，因此包含了振幅、相位、偏振态和传播标的等信息。光刻折柳率增强期间便是通过调控光的以上四种信息，让光刻胶上得回更渺小的图形结构。举例离轴照明期间不错变调振幅和相位，光学足下效应修正期间不错变调光波振幅，光源—掩模和洽优化不错变调光波的传播标的、振幅和相位。

各个工艺节点和光刻期间的关系表 | 起原：萨科微半导体官网，ASML，中泰证券商榷所

纵览光刻机的发展历程，咱们真的在沿着不休收缩波长的蹊径上奔走。不雅察表中数据，当光源波长疏导期，咱们依然在不休收缩制程，这是数值孔径、工艺因子以至极他复杂期间的功劳。

参考文件

[1] 韦亚一.计较光刻与邦畿优化[M].1.电子工业出书社,2021.

[2] 斯蒂芬 A·坎贝尔.微纳设施制造工程[M].3.电子工业出书社,2010.