上一讲我们说完 EDA,理解了 EDA 是在设计复杂芯片时必须用到的工具。这一讲我们再来看万众瞩目的光刻机。
什么是光刻机?
光刻机被称为「半导体工业皇冠上的明珠」,是用来制造芯片的核心设备。一台最先进的极紫外(EUV)光刻机市场售价达到 1.2 亿欧元,跟一架波音客机差不多。它的具体工作原理是什么呢?
中学有篇课文叫《核舟记》:「明有奇巧人曰王叔远,能以径寸之木,为宫室、器皿、人物,以至鸟兽、木石,罔不因势象形,各具情态。」核舟的大小以「径寸」来计,「舟首尾长约八分有奇,高可二黍许。」「.....通计一舟,为人五,为窗八,为箬篷,为楫,为炉,为壶,为手卷,为念珠各一;对联、题名并篆文,为字共三十有四。而计其长,曾不盈寸。盖简桃核修狭者为之。」文末作者还感慨了一番:「魏子详瞩既毕,诧曰:嘻,技亦灵怪矣哉!《庄》、《列》所载,称惊犹鬼神者良多,然谁有游削于不寸之质,而须麋瞭然者?假有人焉,举我言以复于我,亦必疑其诳。乃今亲睹之。繇斯以观,棘刺之端,未必不可为母猴也。嘻,技亦灵怪矣哉!」
《核舟记》的作者如果看到如今的芯片,定会发出另一番感叹,因为芯片的内部尺寸对古人来说已经完全无法想象了。通俗来讲,芯片就像一个做工极其精细的雕刻艺术品,而不同之处就在于,它的精细程度远远超过了以往所有的人工制作出的物件。芯片已经精细到什么程度了呢?目前最先进的工艺,已经达到纳米级,逼近理论的极限从实现的手段来看,必须使用「光」——波长极短。与雕刻工艺相比,光刻机的工作原理更像一台照相机,只不过它的成片方式和普通相机不同,它需要在底片(硅晶圆)上进行很多次的「拍照」,每一次把「底片」,也就是设计好的芯片电路图曝光到「相片纸」上。这个「底片」有一个专业名称,叫做「掩膜」——用来掩盖的膜,负责让该曝光的地方曝光,其他部分不受影响。
光刻机的基本原理并不复杂,其最关键的部件也只有三个:光源发射器、用来调整光路和聚焦的光学镜头,以及放置硅晶圆的曝光台。你看,像不像把大象装进冰箱的那三步?没错,看起来并不难,也正是因为如此,在起初芯片集成度还不高的时候,光刻工艺并不需要单独的特殊设备,制造厂自己就可以搭建满足使用要求的工装出来。但后来,由于摩尔定律的狂飙猛进,单位面积上的晶体管数量呈指数级增长,人们突然发现,光刻工艺成了
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