本文为光刻技术（二）的补充https://www.coolapk.com/feed/49039936?shareKey=MmZjOGIxOTFlZTVjNjUyZjRjYTk~&shareUid=3967169&shareFrom=com.coolapk.market_13.3.5-beta2
无数的光子穿过一片又一片的光学透镜，汇聚在小小的底板上，底板上的化学物质被光激发，产生美妙而精确的化学反应，将永恒的印迹留下……
你以为上面那段文字是在描述胶片相机？不不不，我只是简单的陈述光刻机内所进行的曝光过程罢了。
一 光刻机内部的进程
在长长的芯片流水线上，光刻机只是其中的一个组成部分，在光刻机内部每时每刻都在进行着曝光的过程。
简单来说，曝光的过程就是光源发出光，照射在掩模上，然后掩模上的图形投影到晶圆表面（表面涂有光刻胶），激发光化学反应。
早期的光刻机是接触式曝光，掩模直接与晶圆接触；而随着技术进步，曝光也由接触式发展到步进-扫描式。
显然，接触式曝光是把掩模上的图形1/1投影到晶圆表面的。一切看似是那么美，数学、光学与化学的完美结合，打造出最精密的艺术品。但光鲜的局面下，却早已埋下危机……
首先是掩模与晶圆直接接触，很容易造成掩模的污染和损坏。毕竟精密的高透光石英玻璃，在沾染化学试剂之后，就失去了它耀眼的光芒。试想一下，每次光刻都需要花费数十万美元去重新定做那一块小小的石英玻璃板，平摊到最后的成品——芯片上，将是多么昂贵的成本啊！
老板，你也不希望你的Fab需要消耗那么多掩模罢（[受虐滑稽]
聪明的工程师很快就想出了解决办法：掩模与晶圆直接留一个几微米的缝隙，就不会沾染化学试剂了。
第一个问题轻而易举的被解决，但是第二个问题是如此的棘手，以至于最卓越的工程师也无能为力。
这个问题就像笼罩着光刻大厦的乌云，看似虚无缥缈，但让人无法忽视。因为在未来的某一时刻，它会毫不留情的跳出来，拦住光刻工艺前进的步伐。
就好像光速c=299792458m/s、万有引力常数G=6.67*10（-11）m³/（kg s²）、普朗克常量h＝6.626*10^（-34）J s，是无法突破的定律！
随着集成电路器件尺寸不断缩小，第二个问题不得不引起工程师们的注意了：
随着集成电路器件的不断缩小，要按照1:1的比例制作掩模越来越难了！你很难把那么小的图形印在掩模上。
芯片大佬、17岁JK美少女@Kurnal 的指教是那么多振聋发聩：“机台造不出比母机台更细的机台！”
既然接触式曝光遇到难以逾越的障碍，那就换个思路吧。山重水复疑无路，柳暗花明又一村。之后就是步进-扫描式曝光大放异彩的故事了。
二 光刻机工作原理
1 步进-扫描式曝光
首先大家需要明白，一片晶圆不是曝光一次就换下一片晶圆（和拍证件照不一样，不是拍一张就换一个人）光刻机的投影面积只有26mm*33mm，但晶圆的尺寸直径是8英寸或者12英寸晶圆。所以掩模需要移动到不同的位置，对相应的网格（grid）进行曝光上那么多区域，需要多次曝光。就好像小学生的练字本，需要把每一个格子里的字写好，才能拿到高分。
现如今的光刻机一般采用步进-扫描式曝光，曝光系统通过一个狭缝照射在掩模上，而载有掩模的工件台在狭缝下方沿某个方向移动。
在曝光扫描结束之后，曝光系统步进式移动到下一个位置。文字表述略显单薄，下面还请各位看图。
2 曝光流程
让我们回到晶圆旅程的起点吧，光滑的高纯硅片进入匀胶显影机，经过涂胶和烘烤后被传送到光刻机内部，安静的躺在晶圆工件台上。与此同时，掩模也被放置在掩模工件台上。晶圆对准系统与掩模对准系统调整位置，开始对准工作。之后的过程似乎有些无聊，不过是聚焦、曝光罢了。但看似重复、机械的过程，却是光影艺术的集中体现。
经过18秒的曝光之后，高纯硅片悄然发生了些许变化，晶圆表面不再是整齐排列单纯的硅原子了。原子排布发生了翻天覆地的变化，晶体管就这样显现在硅的表层。这一张披萨饼大小的圆盘，看似还是硅片，但内部却是沧海桑田，不再是简单的硅片了。
3 曝光工作文件的设定
曝光的过程绝对精妙绝伦，堪称艺术。但在半导体行业内，恐怕没有“光刻仙人”、“光刻工匠”这类说法吧？只有精密的模型构建，只有精巧的光路设计，只有精确的数学计算，只有精准的光路调节……
也许一些老师傅手工制作的精密零件，要比数控车床切削出的部件更加精确；但这是晶体管！已经超出了人类手工打磨的范围！做出尽可能小、尽可能多的晶体管，不能指望工作多年的工程师透过显微镜去手搓晶体管，只能依靠完美的曝光工作文件。之后就是光刻机的控制系统依照文件进行工作了，一切都是那么的程序化、标准化，完美无缺。
曝光文件内容丰富，牵扯到曝光的方方面面：曝光区域的设定，曝光的能量和光照条件，如何对准晶圆，如何进行修正……而这，就是光刻！
简而言之，曝光文件内容有以下几点：
1. 一般曝光信息，提供晶圆类型和缺口形状参数等信息；
2. 成像信息，使用哪一层的何种对准标记来对准以及对准标记的坐标；
3. 曝光区域在晶圆的分布（因为晶圆的边界1-3mm是没有光刻胶的）；
4. 光刻层曝光设置，包括光照条件、数值孔径NA、曝光能量以及聚焦出现异常情况的监控；
5. 掩模信息，提供掩模ID以及对应的光刻层的名称；
6. 对准方法，哪些标记用于粗对准，哪些用于精细对准，以及它们的位置。
除此之外，ASML的光刻机还需要设置各类子程序，用于某些特殊功能。
三 光源及光路设计
1 光源
I-线（365nm波长）以上的光刻机使用高压汞灯，高压汞灯能提供254-579nm波长的光，使用滤波器之后可以分出I-线（365nm）、H-线（405mm）以及G-线（436nm）等不同波长的光线。
而KrF（248nm波长）和ArF（193nm波长）光刻机使用的光源则是准分子激光器。
在准分子激光器内部，稀有气体分子（Kr、Ar）在电场和高压环境下，与卤素（F₂、Cl₂）发生反应，形成不稳定的分子。可高贵的稀有气体，又怎能轻易与别的分子牵手？在高压逼迫下的合作，迟早会迎来分道扬镳的那一天。
就这样，处于激发态的准分子裂解了，再度回到基态，变回了稀有气体分子和卤素分子。而这一跃迁过程产生的能量，以DUV光子的形式释放出来，照亮集成电路的天空。
2 光路设计
光源产生DUV，照射在掩模上。从掩模到晶圆表面，这中间需要经过极为复杂的光路，即投影光路。
投影光路设计主要有两大类：折射式设计与反射式设计，后者主要用于EUV，暂且按下不表。
光路设计有两个方向：增大NA，但是干式光刻机的NA值止步于0.93；减小像差，目前的光刻机投影系统像差只有0.5nm。
看了上面的图，我们可以简单总结一下，光刻机的镜头原理与相机镜头是类似的！[流汗滑稽]
不过浸没式光刻机的光路设计与干式光刻机的设计也存在差别，这里简要说明一下：
浸没式采用折射与反射结合的光路设计，目的是为了减少光学镜片的数量，控制像差和热效应（激光会加热玻璃导致形变），实现高达1.35的NA。
除此之外，浸没式光刻机也有一些有意思的创新点。需要说明的是，浸没式不是把晶圆泡在水里，而是在晶圆曝光区域与光刻机的透镜中间充满水。通过一些特殊设计，保证了水能够随着步进-扫描运动而运动，且不会泄露。
这一部分内容由于本人才疏学浅，就不过多叙述，权当抛砖引玉，还望各位大佬不吝赐教。
最后是一些大家关心的问题
Q：DUV光刻机能否做5nm？
A：理论上可行，但是此前没有人这么做。如果要做，需要构建新的数学模型。很重要的一点，SAQP会降低良率、提升成本。
Q：ASML会远程锁机吗？
A：没有听说这种说法。光刻机的曝光文件以及芯片设计版图GDS都是高度机密的，所以光刻机不会连接互联网，只连接内部局域网，应该不会远程控制锁机。
Q：可以不通过ASML来进行光刻机的售后吗？
A：不行，光刻机是非常复杂的系统。数学模型、子系统设计思路都不为外人所知，擅自维修会无从下手，更会损坏设备。因此每日、每月、每年的维护都离不开生产商。
Q：荷兰准许ASML对华出口NXT1980Di、2000i和2050i，是否表明我们同等水平的光刻机已经交付？
A：没有相关证据来证实。十年前我们很多东西做不了，但我们依然可以进口Windows+Intel+Nvidia……所以，各位自行推断，每个人都有自己的看法，不是吗？
@酷安小编 @alexkillers @Kiming同学 @LITTERTREE66 最近工作很忙，只能像Intel那样慢慢挤牙膏写一点东西，还望给个头条！
