在通讯以及网络相关领域中，芯片起着相当重要的作用。因为尽人皆知的缘由，群众对于芯片制造行业愈来愈
怎么实现更精确地光刻呢？这就需要在光学设计上实现更大的分辨率。提高分辨率不但要在理想情况，寻求衍射极限；还要面对实际，尽可能减小像差。文章源自微观生活（93wg.com）微观生活-https://93wg.com/19292.html
光学设计困难一：寻求衍射极限文章源自微观生活（93wg.com）微观生活-https://93wg.com/19292.html
如果咱们在物体上取两个相近的点，经由系统成像后平面上有两个光斑，当两个点逐步凑近，两个光斑将逐步变为一个光斑，这时候咱们就没法区别一个点成的像还是两个点成的像了，这就是分辨率不足的体现。文章源自微观生活（93wg.com）微观生活-https://93wg.com/19292.html
公式中，CD为最小分辨的宽度，λ是光源的波长，NA是投影透镜的数值孔径，它主要与环境折射率有关。文章源自微观生活（93wg.com）微观生活-https://93wg.com/19292.html
要区别成像的到底是一个点还是两个点需要一个准确的边界值，这就引入了瑞利判据。瑞利判据就是当两个物体间距小于CD时，成像系统所成的像将没法分辨这两个点，而是把它们当作一个点，这个边界也称为衍射极限。如果光刻超过衍射极限，则刻蚀出的芯片就不那么精准了，自然没法实现设计的功能。因而，科学家就努力在衍射极限的边沿反复摸索。文章源自微观生活（93wg.com）微观生活-https://93wg.com/19292.html
瑞利判据（文章源自微观生活（93wg.com）微观生活-https://93wg.com/19292.html
依据瑞利判据的公式：要想提高分辨率，要末减小光源波长，要末提高数值孔径，而不管哪种办法都难如登天。文章源自微观生活（93wg.com）微观生活-https://93wg.com/19292.html
办法一：减小光源波长。文章源自微观生活（93wg.com）微观生活-https://93wg.com/19292.html
光源的波长越小分辨率越高，然而制造光源的难度也越高。一开始人们只能用汞灯发出的365nm波长光源进行光刻，能达到的极限尺寸只有250nm左右。跟着技术的发展，光刻使用了波长193nm的深紫外光（DUV），即只有用氟化氩准份子才能够被激起的深紫外光。然而，氩是典型的惰性气体，与几近所有物资都不产生反映，只有氧化性最强的氟元素才能委曲与它变成这类不不乱的份子，难度可想而知。文章源自微观生活（93wg.com）微观生活-https://93wg.com/19292.html
目前最顶尖的光刻机的光源波长达到13.5nm，被称为极紫外光（EUV）。想激起出极致波长的光源，自然需要极致的方法。文章源自微观生活（93wg.com）微观生活-https://93wg.com/19292.html
光刻机采取的办法是激光等离子体型光源，即应用高功率的激光击打金属锡，发生高温高密度的等离子体，辐射出极紫外光。其实这类办法良久以前就被证实，然而起初用的是锡板，而且只用激光激起一次，发生的光源强度很低，没法作为光刻的光源。经由十几年的钻研，科学家诞生了一个天才的假想，锡板不行那用融化的锡，一次不行，就打两次。锡金属被融化构成直径只有20微米的液滴，并且在真空环境中自由着落。在着落进程中，193nm的深紫外光，将锡液滴打成云状，紧接着功率高达20kW的二氧化碳激光器再次击打它，并激起出EUV。下面是荷兰ASML公司的EUV宣扬视频，真的太震动了。
仅仅是发生光源的难度就使人难以想象。两次光源需要准确击打到正在自由着落的金属液滴中，难度就好像用乒乓球击打空中的苍蝇，还是两次。而且激起发生的光转眼即逝，因而需要每一秒钟激起约5万次。另外，高达20kW的二氧化碳激光器的制造难度也是至关大，所需电源功率达到了200kW。那么如斯高功耗的光所激起的极紫外光的功率多大呢？大约210W，这还是经由数次技术的迭代实现的最高水平，要知道最初的发光效力仅有0.8%。
EUV每一秒钟激起5万次（图片
有一些同窗会问，x射线波长更短，为何不用x射线做光刻的光源呢？确切x光做光源可以实现无比窄地刻蚀，但现在的相关利用更多用于直写光刻，效力不高。最大的问题在于它的穿透性太强了，用普通透镜没法进行放大缩小，因此没法实现光学投影式光刻。
办法二：提高数值孔径
人们能采用的办法主要就是扭转环境的折射率（折射率越大，数值孔径就越大），于是浸入式光刻机应运而生。浸入式光刻概念其实早就有了。1999年，IBM使用257nm的浸入式干涉系统制作出精度89nm的图形，但未进行深刻钻研。
2002年之前，业界普遍认为193nm的光源没法实现65nm的分辨率，而157nm光源将成为主流技术。但是，157nm光刻技术遭受到了来自光刻机透镜的巨大挑战。这是因为绝大多数材料会强烈地吸收157nm的光能，只有氟化钙委曲可使用。但研磨得到的氟化钙镜头精度很难节制，难度极高，价格也至关昂贵。雪上加霜的是它的使用寿命也极短，频繁改换镜头让芯片制造业没法容忍。
正当众多钻研者在157nm光刻眼前踌蹰不前时，中国台湾人林本坚提出了193nm浸入式光刻的概念。水在157nm波长下是不透明的液体，然而对于193nm的波长则是几近完整透明的。并且水在193nm的折射率高达1.44。如果把水当作至关理想的浸入液，配合已经十分成熟的193nm光刻装备，那么装备厂商只需做较小改良，就能够实现更小的分辨率。相比于真空介质下分辨率只能达到65nm，淹没超净水介质的光刻机理论上可以达到22nm乃至更低的分辨率。
现在人们正在寻觅除了水之外拥有更大折射率的液体。但这类液体请求无比严格：与光刻胶没有反映，光透过率高，折射率高，还要不乱。目前已研发出的第二代浸入液的折射率为1.64。
你可能觉得把整个光学系统淹没在水中很简单，但其实它有不少繁杂的问题需要解决：浸入液怎么充入、会不会对镜头造成污染、光刻胶在液体中的不乱性、会不会发生气泡、液体怎么保证高纯度等。科学家解决了这些问题，才让浸入式光刻机目前成为芯片生产中最广泛使用的光刻机之一。
光学设计困难二：精确成像
在现实中，除了了要尽力寻求衍射的极限，还要严格节制像差。
像差可以理解为理想的成像与实际成像的差距。节制像差一般需要不少透镜共同作用，例如一个单反镜头有5~7枚透镜共同成像。那光刻机需要多少枚镜头呢，谜底是29枚。
近60个光学表面，最大直径达到80厘米，500kg的重量，组成为了DUV光刻机的投影物镜。并且每一一枚镜头的平整度无比高，如果将镜头放大到中国从东到西距离那么大的直径，加工发生的高下起伏误差比乒乓球直径还要小。所有的镜头都只是为了尽量完善地成像，将掩模版精确地复刻在芯片上。
DUV光刻机投影物镜（图片
DUV光刻机（图片
EUV光刻机难度更高了。极紫外线又称为软x射线，听名字就知道，它的穿透性也很强，因而DUV所用的透射式系统没法使它偏折。对于这么难弄的光源，咱们只能使用全反射的投影系统。另外波长越短的光，越容易被吸收。几近任何物资对于EUV都是强吸收，乃至空气都能吸收它的能量，因此整个光刻间都要处于真空状况，以尽可能减少光能的消耗。
EUV全反射投影系统（图片
EUV所需要用到的镜子是拥有极高精度的钼/硅反射镜。反射镜需要多精准呢？
首先它不但需要提高对EUV的反射，还能吸收杂光。因而它上面镀了40层膜，主要是钼以及硅的交替纳米层制作的。其次是平整度，它的表面需要几近完善的光滑与干净，每一个原子都要在正确的位置，比DUV更离谱，如果将反射镜放大到地球这么大，那它上面只能有一根头发丝直径的小突出。别忘了这还是镀数十层膜后的光滑度，象征着每一一层膜都要更为平整。这多是宇宙中最光滑的人造结构了。
即便是这样的镀膜水平，每一个镜片仍然会对EUV有30%的吸收率，而整个反射系统需要11枚反射镜，因而真正用于光刻芯片的光强只剩下2%。
除了了光学，还有其他挑战
上面描写的内容是不是让你感到震惊？但这只是光学设计部份，还有大量挑战极限的事情。
比如镜片吸收光会发生热量，因此要对系统进行冷却，那怎么解决进程中的振动致使精度问题呢？高分辨率的光刻自然需要高分辨率的光刻胶，怎么制备呢？锡微流体怎么精确节制大小与流速？整个体系怎么确保高精密的机械节制？怎么保证总体的可靠性呢？
这一切问题都需要系统中任一部份完善配合才能达到，因而EUV光刻机要比你想象的大——大约一辆公共汽车那么大。整个机器包括10万个部件以及2千米长的电缆。每一台机器发货需要40个集装箱、3架货机或者20辆卡车。
而且，要制造芯片仅有一台光刻机可不够，它的工作环境无比抉剔。首先光刻需要的房间全体为纯净的黄光，由于短波长的光会造成光刻胶变性，没法实现功能。因而黄光对于光刻，就像暗房对于胶片同样。另外，光刻所需的无尘环境请求每一立方米空气中不能有超过10个颗粒，并且颗粒大小小于0.5微米，每一小时要净化30万立方米空气。厂房对地基请求也很严格，不能有任何微小的振动，因此某种意义上讲厂房需要相似“悬浮”。光刻需要的电能也达到无比恐怖的量级，一台EUV工作24小时，耗电量达到3万千瓦时。
EUV光刻机（图片
于是你现在知道了，为何咱们具有了7nm的刻蚀能力，也不等于能够制造7nm的芯片。
绝不夸大地说，光刻机是在挑战人类文明的极限，是人类工艺的巅峰之作。
以上就是微观生活（93wg.com)关于“制造一台光刻机，究竟有多灾？”的详细内容，希望对大家有所帮助！
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