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大家好，我是开源猫opencat
芯片是通过在硅晶圆上逐层构建复杂的晶体管图案而制成的。光刻系统是这一过程的核心，光刻系统本质上是一个投影系统。光线通过将要打印的图案蓝图（称为“掩模”或“标线”）投射，在光线中编码图案后，系统的光学器件会缩小并将图案聚焦到光敏硅晶圆上。打印图案后，系统稍微移动晶圆并在晶圆上制作另一个副本
光刻系统背后包含一系列科学：瑞利准则，光源，透镜与反射镜系统，机械与机电一体化，测量精度
瑞利公式
确定芯片晶体管特征尺寸可以打印多小的分辨率公式：瑞利公式
CD = k1 • λ / NA
在瑞利公式中，CD是临界尺寸或最小可能的特征尺寸，λ是所用光的波长。NA是光学系统的数值孔径，k是一个系数，它是在光刻过程中可以做的所有其他事情的集合。物理极限光刻是k1 = 0.25。
半导体行业的大部分研发都集中在减少关键尺寸CD上。更先进的芯片意味着更小的特征CD，需要更短波长的光、更强大的透镜和/或更低的k1 因子。减小光波长是一项重大的技术转变，需要具有新光源的新型光刻机，以及新的（光学和抗蚀剂）材料和新工艺，它带来了芯片性能的最大进步，光刻系统其它进步是由透镜开发和通过对光刻工艺和技术（如计算光刻）的巧妙调整来减少k 1 来推动的，可以说整个光刻过程就是围绕瑞利公式来进行的，瑞利公式就是光刻系统设计的第一性原理
光源
从可见蓝光到不可见的极紫外光，光以一系列的波峰和波谷的形式传播。峰之间的距离称为波长。光的波长越短，可以在光刻工艺中打印的芯片特征尺寸就越小
第一个光刻系统使用汞光源来产生波长为 436 纳米 （nm） 的蓝光，可以打印小至1微米（1,000纳米）的晶体管特征，为了实现更小的特征尺寸，需要一种全新的发光方式：激光，特别是深紫外（DUV）准分子激光器：氟化氪（KrF）激光器产生波长为280nm的光，氟化氩（ArF）准分子激光器产生波长为193nm的光，现在最先进的DUV光刻机就是193nm，他经过多重曝光最小能量产产7nm芯片
但是芯片晶体管越来越小，DUV光源已经不能满足需要了，于是就出现了EUV光源，它是在激光等离子体（LPP）源中，直径约25微米的熔融锡液滴以每秒70米的速度从发生器中喷射出来。当它们下落时，液滴首先被低强度激光脉冲击中，将它们压平成煎饼形状。然后，更强大的激光脉冲蒸发扁平的液滴，产生发出EUV光的等离子体。为了产生足够的光来制造微芯片，这个过程每秒重复50,000次
透镜与反射镜系统
有了光源，还要有复杂的透镜和反射光学系统，才能缩小晶体管的尺寸
当我们谈论光刻机的镜头时，我们不是在谈论单一的、简单的镜头。我们谈论的是一个复杂的光学系统，由数十个单独的透镜组成，对于EUV光刻，还包括反射镜（蔡司提供）
为了实现7nm及以下的生产芯片制程，光学系统的设计会非常复杂，主要通过三种技术手段：提高光学系统的数值孔径NA，采用浸入式光刻（透镜和晶圆加一层特制水，提高NA），精确控制曝光（调节透镜组上数以千计的制动器精确控制位置和方向）
但是由于大多数材料吸收EUV光，所以EUV光学系统里还需要全新的光学系统，ASML开发了一种真空室内使用超光滑的多层镜子。每个镜子都有100多层材料，这些材料经过精心挑选和精确设计，以最大限度地提高EUV光的反射
机械和机电一体化
晶圆平台被视为光刻机最关键的组装部分，汇聚了光刻机的关键运动元件，可谓是该系统的机械“核心”。为实现高达5 g（相当于喷气式战斗机的起飞加速度）的巨大加速度，光刻机采用了磁悬浮系统来移动晶圆载物台。与此同时，晶圆的位置每秒测量约20,000次，借助精度高达约60皮米的传感器，这一精度甚至小于硅原子的尺寸
机器人模块承担着晶圆处理的关键任务，其中一部分负责将每片晶圆装入和取出，而另一部分类似的模块则负责光罩处理，对每一批晶圆执行相同的操作。每小时处理超过275片晶圆的速度要求搬运机器人必须能够快速、精确地抓取、搬移和放置这些脆弱的晶圆，同时不损坏或扭曲它们。
在高速同步性方面，光刻机的运作也非常复杂。每个图案的复制都在晶圆上进行，而标线在狭窄的光缝中平稳地移动，一次只暴露图案的一小部分。与此同时，晶圆沿相反方向平稳移动以捕获整个图案。标线和晶圆的运动必须完全同步，但由于标线上的图案比晶圆上的图案要大，因此标线必须以更快的速度移动得更远，每秒可达150平方米，这相当于一辆汽车在0.1秒内从0加速到100公里/小时。当晶圆和标线以相反方向分别以5 g和15 g的速度加速时，能够将晶圆和标线的运动同步到纳米和纳秒级别，而且所有这些操作都不会引起任何振动，这对于芯片生产至关重要
测量精度
光刻工艺中每个元素的准确性都经过严格评估。因为即使是最小的错误也可能导致芯片缺陷
有两种方法可以检查芯片上打印特征的质量：基于衍射的光学测量和电子束检测。衍射检查光如何从晶圆反射，而电子束观察电子在与晶圆接触时如何散射
基于衍射的测量来评估晶圆上的图案质量，HMI电子束检测系统有助于定位和分析单个芯片缺陷。
结合来自光刻机内部的基于传感器的信息和一套复杂的软件算法，衍射的光学测量 和 HMI 系统提供了芯片制造商用来优化其制造工艺的大量数据
现在以上过程有了全新范式，叫做模式保真度，通过机器学习，人工智能开发强大算法来实施光刻，提高良率
结语
光刻整个过程说复杂那就是人类迄今为止最复杂的系统工程，光刻系统每一个子系统都是超级工程，说简单就是围绕瑞利公式，采用软件和硬件方法缩小晶体管光刻尺寸
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记住瑞利公式，你就懂光刻了👇👇