芯片制造光刻技术原理(光刻机的原理，纳米级的芯片制造真的有那么难吗？)

光刻机升级换代是整个世界的工业尖端水平的表现，也是体现国家的工业水平的实力。如果国防领域是人类科技领域发展的等级水平，那么光刻机则是整个工业的一个耀眼明星，其制造和技术难度极高、整机组装对技术人员要求极高，成本最大，精密零件密集度最高。姑且不论国家的实力，先看一下制造光刻机的几大核心零件：

物理

人的生命中接触最多的就是太阳光，专业一点也就是电磁波(如下图)，如空气一般存在我们的周围，而我们能直接感知到的电磁波就是可见光的范围，就是我们见到的彩虹；不可见光常用在国防、医疗、工业，其中波长在8-14μm电磁波是生命光线。

电磁波

光刻机最重要的生产发射指定光波长的组件，不是指不可见光，也不是指极紫外线光线，而是极紫外线光线中等于28nm的光线(没有大于小于)；通过光学镜头的缩放功能，进一步进一步减小极紫外线光线的波长。就像电子构成原子，原子构成分子，分子构成物质，从大到小，随着科技的发展，一步一步用尖端科技去挑战精密机械和电子技术的极限。

光学成像技术的发展越来越成熟，可分为红外成像、热成像、紫外成像、激光、望远镜、普通相机、专业相机，像素从几万到百万、到千万、亿；不断地更新换代，离不开光学镜头和成像传感器飞快的技术发展。而这些技术由于国外的技术封锁，国内还在邯郸学步阶段，能技术上不能实现创新；不仅要看个人，还要看国家和公司是否能带头领航。

机械

极紫外线的波长范围在10nm(10nm=0.01μm=0.00001mm)左右；要生产28以下nm制程芯片的光刻机必须是全自动化操作，要有配套超高精度的工业相机、超高倍率电子显微镜、超高精度移动平台、超高精度的控制系统、超高精度的检测设备和一些高精度的配设施。现在民用进口高精度加工中心精度才能达到1μm，还要签协议，不能使用在军工、国防等方面；更高加工精度的都是不对外出口，现在只能使用别人换代的产品。随着第一梯队的七大工业国家对工业的输出和转移，日本和韩国的经过消化吸收荣升工业的第二梯队的国家，甚至做出了高端机密机械，赶超了第一梯队；而中国台湾学习了第二梯队代工模式，工业进入了第三梯队，能够生产中高精度的精密机械。

人类为了景物保存下来发明第一部相机，随着相机的发展，望远镜的出现，为科学家探索光的世界敲开一扇大门；工业相机出现，加快工业生产的速度和精度；显微镜的出现，为国防、医疗、工业做出更大的贡献；这些相机的镜头从材料和技术我们国家都没有参与过，大学也是这几年刚开设光学设计这门课程，都是偏理论，到实际应用还差很远。不要说生产超高精度镜头，就是高精度的镜头也没有几家能生产的，这还是在保证有高精度精密机械和材料的前提。

软件和硬件

光刻机的控制系统和检测设备离不开软件和硬件配合，运动控制卡又是精密机械的大脑；是连接主机(发送指令)和从机(机械手)，就像人的大脑和双手，而光刻机的机械手是微操作，不仅能保证重复精度和7*24小时；双手只能在范围内操作，人的体力是有极限的。现在工业4.0不是噱头，是工业和科技的结合，实现工业现代化。高精度的运动控制卡控制卡都是定制的，几乎没有公司愿意为你定制，因为涉及到核心技术；别人不想让你拥有这项技术；我们要自己去研发，研发的周期和试错成本也不是那个公司愿意承担。控制系统是CPU，把每一条指令都发到控制卡的各个组件，完成特定的动作，通过反馈系统实时检测该动作是否已完成。有顶级的镜头和光源，没有极致的机械精度和运动控制，也没有用。光刻机里有很多同步运动的工件，始终保持同步，误差精确到纳米以下。PC端开源的系统也只是白嫖过来的，还没有形成生态，只能在特定场合使用；况且控制系统就是小型的桌面系统，就像windows一样，不给你白嫖。从零开发，就像龙芯一样，没有形成生态，就不好推广所以买家少，买家少所以资金不够，资金不够所以人少，研发跟不上，就造成恶性循环。随着直播流行，各种DIY打印机、电子元器件、软件、硬件的推广，加快小白的动手的能力提供，知识的不断积累就会做一下更炫更酷的东西。

化学

芯片制造，晶圆必不可缺，从石英砂中用一系列的化学和物理融化后提纯的方法造出纯度很高的硅棒(就像金银的提纯加工达到99.999%)，然后通过对铜棒的切割成圆形的薄片。

光刻技术是一种精密的微细加工技术，就像早期的胶卷相机的底片一样，通过曝光把景物轮廓信息印在底片上，然后经过化学反应把被曝光景物轮廓冲洗掉，就保留有用的信息。而光刻技术更复杂，精度更高达到微米，肉眼已经无法识别，要借助电阻高倍显微镜，常规的方法就行不通了。光刻不再像相机一样拍景物，而是逆向操作，通过把纳米级线路绘制出来(EDA电路仿真软件)，经过投影技术把线路曝光在胶片上，然后通过化学蚀刻把被曝光的电路图保存下来，没有经过曝光的被清洗掉，就得到像底片一样的光刻掩膜版；每个芯片就像盖房子一样，每一层就要一个掩膜版，一个芯片有上亿个晶体管，无数个小房子，犹如摩天大楼一般。

有了晶圆和掩膜版才能拿到光刻机进行光刻作业，首先把晶圆进行清洗烘干，表面涂上光刻胶，掩膜版装在光源发生器前面，把晶圆、掩膜版、光源坐标校准，然后从光源发生器中发射光线照到掩膜版的电路上，经过光学镜头的误差补偿与矫正，将掩膜版的电路图的投影比例缩小后投影到晶圆上；经过掩膜版的投影曝光后留下掩膜版的投影，然后经过清洗和蚀刻没有曝光的光刻胶，就在晶圆上留下我们需要的电路图，该层电路图就制作完成。每一层的制作晶圆都要重新涂光刻胶，更换掩膜版，要重新校准，相当于把前面的步骤重新来一遍；在晶圆上对几十层的电路的叠加，制造的难度就可想而知了。