核桃雕或许不稀奇，但你能想象在头发丝上画出一个体育馆吗？《论语》有云：“工欲善其事，必先利其器”。由此可见，好的工具在制造过程中起着关键作用。
在前工业时代，人们以人手为工具，采用手工方式制造各种生产、生活用具。进入工业时代，机床代替了人手，完成各种精密元件的加工。随着科技的进步，人类进入信息时代，由机床制造的具有宏观结构的器件已无法满足人们对高信息容量的需求，具有微米、纳米制造能力的光刻机成为新时代的制造之王。
光刻机，顾名思义，以光为媒，刻化微纳于方寸之间。光刻机能够利用光作为媒介，实现各种微米甚至纳米图形加工。目前最先进的光刻机能够加工的最细线条已经达到13nm。我们人类的头发丝直径在50μm—70μm左右，而利用光刻手段能刻画出头发丝直径1/5000的线条。古代人类通过手工方式在核桃上雕刻出一叶扁舟已属精妙绝伦，而利用信息时代的制造工具光刻机，我们能够在一根头发丝上刻画出一座足球场。
芯片制造之“光”我们现实生活中用的都是看得见摸得着的东西，光刻机这种“高精尖”的设备是不是曲高和寡，和我们离得很遥远了？其实不然，光刻机与我们生活息息相关，已经渗入我们生活的方方面面。
我们用的电脑、电视显示屏之所以能够显示出色彩斑斓的各种图形，得益于光刻机在面板上加工的一个个像素图形；家用LED等之所以能够发光，正是源于其上通过光刻手段加工出来的正负级结构；电脑里面的CPU能够实现各种快速运算，依靠的是其内部由光刻加工出来的各种微纳结构；家用汽车能够实时感知车内车速、温度、胎压等情况，也是利用由光刻机加工出来的各种传感器。
信息时代，光刻机不仅能够完成电脑CPU、FPGA等传统意义上的芯片，而且是平板显示、LED、传感器等具有一定功能和一定集成度的“广义芯片”的主要加工手段。作为信息时代的制造之王，光刻机所加工的各类“芯片”已经无处不在，无所不能。
有了光刻机就能够制造芯片了？还不行从一个普通的基片到我们最后使用的芯片，要经过“九九八十一难”，包括数百道工艺环节，任何一个环节出错都将影响最终的芯片质量，而光刻仅仅是其中最为关键的环节之一。就像我们作画一样，画图很关键，但一幅好的作品也需要好的纸张、颜料、剪裁、装裱等材料和工序的配合。
光刻主要类型图源：作者自制接近接触式光刻机该种光刻机在工作过程中具有微纳图形结构的模具（掩模版），与待加工结构表面相互接触，在紫外光的照射下，将掩模版上的图形转移到待加工图形表面。它的工作原理类似与我们的“手影”游戏，利用已有的图形，阻挡光线的传播，从而形成明暗相间的图形分布，结合待加工表面感光胶的感光特性，记录下我们所需要的图形。
投影光刻机与照相机对比图源：作者自制由于投影光刻机采用了投影式的工作方式，掩模与基片不再相互接触，极大地避免了对掩模或基片的损伤；而且利用投影镜头，通过改变其缩小倍率，可以加工出比掩模版图形更为细小的结构。除此以外，投影光刻机具有扫描式成像的曝光能力，工作效率极高。
直写光刻示意图源：Veer图库直写式光刻机可以完成任意图形加工，其加工精度极高，能够加工的最细线条可以达到纳米量级。但它在加工过程中，是以点的方式完成图形加工，工作效率极低，不适用于大批量结构的制备，目前主要用于掩模版的加工。
光刻机一直以来都在追求更高的信息容量，高分辨力、大面积、三维是它主要的未来发展方向。
在高分辨力方面，我们通过不断地缩小所采用的光源的波长（EUV光源13.5nm），增强投影物镜的最小线条成像能力（提高数值孔径1.3）等方式，不断缩小能够加工的最小线宽。然而，这些方式使得我们光刻机的制造难度以及制造成本急剧增加，并且已逐步逼近物理极限。为了进一步提升分辨力，各种新的光刻方法应运而生，包括表面等离子光刻、纳米压印、多光子光刻等等，这些方法都有可能成为下一代主流光刻技术。
参考文献：[1]沈海军,时东路,赵鹏,王祎龙.发丝表面艺术及其创作[J].艺术科技,2011(02):24-27.出品：科普中国制作：唐燕（中国科学院光电技术研究所）监制：中国科学院计算机网络信息中心（本文中标明来源的图片已获得授权）文章仅代表作者观点，不代表中国科普博览立场本文来源于”中国科普博览“公众号（kepubolan），转载请注明公众号出处