国内手机大厂重新生产自研的高性能手机芯片，给世界带来了一个惊喜。很多中国人才知道原来买不到极紫外光刻机也能生产最先进的芯片。都说工欲善其事必先利其器，没有最先进光刻机怎样才能生产最先进芯片呢？我是东城观星，再跟大家一起了解一下先进芯片的生产。

芯片生产离不开光刻机，光刻机工作离不开光。我们对光并不陌生，投影仪用光可以精准再现拍摄的视频，视频中每一个细节，每一个线条都可以精准呈现。但是这只是肉眼可见的精准，当光线需要呈现的细节小到一定程度的时候，就不再那样精准了。因为光是一种电磁波，所有电磁波都是有波长的，不同波长的波能够呈现的精细度是不一样的，波长越短，呈现的细节越清晰。当需要呈现的细节尺寸接近甚至小于光的波长时，光可以呈现的图像就不再那么精准了。

我们一直都在说几纳米工艺，这个纳米数其实就是在这个工艺中两个元器件的最小距离。正常来说，光是一种电磁波，在接近或小于波长的尺度上，它并不是乖乖走直线的，而是有一定的摇摆范围。这就像咱们骑自行车一样，虽然马路是笔直的，但自行车在马路上行走，时刻都在摇摆。两个自行车在马路上并排行走，距离太近的话，因为摇摆很容易撞到一起。同样两束光如果距离太近的话，也容易相互干扰，甚至连成一片，为了防止这种现象的发生，那就要求两束光之间必须隔开一定的距离，这个距离跟光的分辨率有关，也跟光的波长有关，波长越长的光，需要隔开的距离越长。

要想减少这个距离，最好的办法就是选择波长更短的光，波长越短，两束光之间允许的安全距离就越小。所以光刻机的光源很早以前就开始选择紫外光，而不是可见光，更不是红外光。即使是紫外光，波长也有长有短，目前常用的紫外光源有248nm光源、193nm光源和13.5nm光源，所谓的DUV也就是深紫外光刻机使用的就是193nm光源。EUV也就是极紫外光刻机光源波长13.5nm，严格来说已经到了X光的范围了，也叫软X射线。单从波长的角度来说，极紫外光刻机有先天的优势，允许的安全距离明显小于深紫外光刻机。

当然，只有光源还不行，要想能够高清晰度成像，还需要在镜片上下功夫。通过不断改进镜片，能够改变一个直接影响分辨率的参数数值孔径，这个数越大，分辨率越高。荷兰ASML的光刻机领先于其它厂家，除了光源有优势以外，镜片的优势也很明显，能够在相同光源的情况下实现更高的数值孔径，实现更高的分辨率。包括最先进的极紫外光刻机，数值孔径也在不断提高中，未来可以支持的分辨率只会更高。但是，必须强调，深紫外光刻机无论怎样提高数值孔径，都不可能达到现有极紫外光刻机的分辨率，而且差距很大，想让深紫外光刻机完全替代极紫外光刻机是不可能的。要想追求最先进的3nm工艺甚至2nm工艺，不用极紫外光刻机是不现实的。

那人家就不卖给你极紫外光刻机怎么办呢？还有一个路线，那就是多重曝光技术。天上飞机表演喷彩烟活动是很漂亮的，两架飞机并排飞，喷出的彩烟之间总会有一个比较大的距离，这就相当于光刻机的分辨率，要想缩小彩烟的距离怎么办呢？除了换成小一点的飞机以外，还可以用两排飞机来表演，后面一排飞机飞在前面一排飞机的彩烟中间，这样就可以在彩烟的每个夹缝中再增加一道彩烟，彩烟的距离就缩小了，彩烟变得更密集了。

换成芯片的话，那就增加了单位面积上晶体管的密度，降低了芯片工艺的纳米数。操作方法就是，把芯片光刻图案进行拆分，拆分成两个互补的图案，每个图案内部所有元器件距离都超过光刻机允许的最小距离，但是两个图案重叠到一起的时候，互相之间的元器件都在对方的夹缝里面。这样可以做出来两个模板，也就是制作两张掩膜版，需要进行两次光刻程序。第一次光刻加蚀刻生成一半的图案，第二次光刻加蚀刻再把图案补全。当然，随着技术水平的提高，以及工艺要求的提高，后来又提出了三重曝光，也就是把一张电路图分解成三个掩膜版，分三次光刻完成，理论上可以实现更小的距离。

多重曝光工艺就是用DUV光刻机生产22nm、16nm甚至7nm工艺芯片的绝招。

当然，这个绝招看起来简单，实施起来也是非常困难的。把一个电路图拆解这件事本身就是非常复杂的。很多元器件分配的时候，不论怎样分配，也都做不到所有元器件之间的距离都大于最小允许距离。这时候就需要把一个完整的元器件或者导线给拆成两部分，分别放到两个图案上，只有这样才能让同一张图案上所有元器件的距离都满足要求。但是拆分开的元器件在两次曝光拼合起来的时候，很容易出现误差，要么错位、要么连不上，很容易成为废品，需要必要的配套技术进行修补矫正。比如需要精密的多重图案对齐技术，如果两次曝光没有对齐，出来的产品大概率就是废品了。

更重要的是，这种拆分工作不可能靠人工去完成，因为图案太复杂了，靠人工的话工作量太大，也容易出错。一个芯片最多可能有几亿个元器件，就连用电脑进行拆分也是非常庞大的工作，一般电脑内存都不够用，连打开原图都做不到。这么复杂的图案，完全需要靠计算机程序去拆分，要尽可能做到合理而且不出错。这是非常考验程序设计者的。

图案拆分好以后，到底合适不合适，还需要进行各种各样的验证。最终还需要实际生产一些芯片验证一下，这个过程也叫流片。如果流片验证没问题，才可以去批量生产，流片验证出错，就需要返工验证是哪里的问题，非常麻烦。

当然，大家不要以为这种多重曝光工艺只是增加了一两次曝光那么简单。一个芯片上，有很多种不同的成分，每一种成分至少需要一张设计图，因为一次光刻蚀刻以后只能安装一种材料，换一种材料，就需要再重新光刻蚀刻，再次安装。也就是每一种材料至少需要设计一个原始图纸，然后每个原始图纸再拆分成两到三个掩膜版。所以生产一个芯片，需要二三十次光刻是很正常的。随着芯片生产工艺的不断提高，设计也不断进化，现在已经开始生产立体工艺的芯片了。对于立体工艺芯片，就需要进一步增加图纸数量，那再拆分的话，光刻次数就更多了。

每增加一次光刻，就会增加一次误差，光刻次数越多，最终成品合格率越低，也就是芯片生产良率越低。这就是多重曝光的最大弊端，多重曝光，降低了产品合格率，增加了操作步骤，延长了生产时间，降低了生产效率。

如果换用极紫外光刻机的话，一张原图不需要拆分就可以直接光刻，那就大大减少了生产步骤，提高了生产效率，而且生产出来的图案精准度更高，误差更小，合格率也更高。唯一的缺点就是使用成本太高，甚至有可能高于深紫外光刻的三重曝光成本。

综合考虑成本和精准率，很多情况下，不会只用极紫外光刻机来进行光刻，往往是深紫外和极紫外光刻搭配使用，因为有些零件在芯片上密度本来就不太高，用深紫外光刻就够用了。即使台积电这样的大厂，也会让极紫外和深紫外搭配使用，而不是只用极紫外光刻机。当然对于更高工艺水平，比如3nm工艺2nm工艺甚至更高，恐怕深紫外光刻机的用途就会越来越小，因为就算是多重曝光都解决不了问题了。

不知道这样解释大家能不能听明白。我跟大家一样，非常关注芯片工艺的进展，希望能帮大家了解到这个世界上最尖端的科技。

我是东城观星，关注我，每周给大家讲点高科技的知识。