极紫外光刻机

十三纳米

这是一片直径 300 毫米的硅片，上面排满芯片。标准的极紫外光刻机，能印出半间距 13 纳米的线条；高数值孔径的新一代，做到 8 纳米。

一根头发宽约 8 万到 10 万纳米，能并排放下六千多条 13 纳米的线。芯片要一层一层叠起来印，层与层之间的对准误差，最新机型标称不到 1 纳米。

半间距 13 纳米（数值孔径 0.33）· 8 纳米（0.55）· 套刻约 0.9 纳米

为什么是 13.5 纳米

能印多细，取决于光的波长和镜头收光的角度：线宽 = k₁ × λ / NA。波长越短，线越细。上一代光刻机用 193 纳米的深紫外光；极紫外把波长一下缩短到 13.5 纳米。

代价是，这种光几乎碰到什么就被什么吸收。玻璃透镜不能用，空气也不能有。机器内部抽成真空，光路上全是反射镜，连掩模也是一面带图案的反射镜。

线宽 = k₁ × λ / NA · λ = 13.5 纳米

四十层的镜子

普通镜面对极紫外光几乎不反射。这里的镜子镀着钼和硅交替的薄膜，每层只有几纳米厚，一对约 7 纳米，差不多是波长的一半。

每个界面只反射一点点光，但几十个界面反射回来的光步调一致，叠在一起就变强了。四五十对膜层叠起来，一面镜子能反射约 70% 的光；层数再多，也增加不了多少。

钼 / 硅多层膜 · 约 40–50 对 · 每面反射约 70%

剖开：一路反射

剖开真空腔，能看到光走过的整条路。收集镜把光聚到中间焦点，照明系统把它整理成均匀的一条光带，照在掩模上；掩模反射出图案，投影物镜的六面镜子再把图案缩小四倍，落到硅片上。

每反射一次，大约剩下七成。从光源到硅片要反射十来次，最后到达硅片的，只有出发时的百分之一二。

每次反射约剩 70% · 十余次之后约剩 1–2%（估算）

锡滴与等离子体

光源里，一个喷嘴每秒喷出约 5 万颗熔融的锡滴，每颗直径 25 到 30 微米，速度约每秒 70 米。

每颗锡滴先挨一束较弱的预脉冲，被压成一张薄饼；紧接着，二氧化碳激光的主脉冲把它加热成约 50 万开的等离子体，发出 13.5 纳米的光。背后的椭球形收集镜把光汇聚到中间焦点。画面里的锡滴放大了，动作也放慢了。

每秒约 5 万滴 · 先压扁，再击成等离子体

照明、掩模、投影

照明系统用几面反射镜，把光源的光变成形状和角度都合适的光带，斜着照到朝下安放的掩模上。掩模上的图案比芯片上的大四倍。

投影物镜把图案缩小四倍。它最后一面镜子收光的角度，用数值孔径 NA 表示：标准机型是 0.33，新一代是 0.55，光锥更宽，线条能更细。新一代在扫描方向缩小 8 倍、另一方向 4 倍，每次曝光的区域只有原来的一半。

缩小 4 倍 · NA 0.33 与 0.55

反向扫描

光带不动，动的是掩模和硅片。曝光时，掩模台和硅片台同时朝相反方向移动；掩模上的图案大四倍，所以掩模台的速度是硅片台的四倍。

一个曝光区扫完，硅片台挪到下一个，再反方向扫回来。高数值孔径机型的硅片台加速度约 8 g，掩模台约 32 g；硅片台每秒校正位置约两万次，偏差控制在 0.25 纳米以内。

掩模台速度 = 4 × 硅片台速度，方向相反

拆开来看

整台机器由几个大模块组成：光源、照明系统、掩模台、投影物镜、硅片台，外面是真空腔。标准机型重约 150 到 200 吨，运输要装约 40 个集装箱。

每个模块各自分开，指针停在哪一块上，哪一块就会被单独托出来，标出名字。