飞扬南石：国产光刻机历史与认知
前两天与人在网上聊天 ， 对方抛出一个观点：中国早在1972年就能造光刻机了 ， 结果到现在还要进口 。
我去查了一下出处 ， 结果是这样一篇文章《40年前电脑、芯片、光刻机 ， 美国第一 ， 中国第二》 ， 当时就把我吓傻了 。
中国1972年就造出了光刻机文章的内容很多 ， 基本上也是老生常谈 ， 不外乎某某年生产了第一台某某 ， 与美国差距只有0.01秒等等 。幸好经历过那个年代的人还没有死绝 ， 随便找几个人问问 ， 都是满脸懵圈：什么 ， 当年美国第一 ， 中国第二 ， 你把德日英法意扔哪去了？70年代末国家派了无数的考察团出国去看 ， 回来都是摇头叹气 ， 尼玛 ， 人家一家工厂一个月生产的集成电路 ， 抵得上我们全国60多家工厂全年的产量 ， 这还怎么追啊！那个时候你跟他们说：别害怕 ， 美国第一 ， 我们第二 ， 你看看大家会不会像看傻叉一样地看着你？可就是这种观点 ， 在今天居然还有人信……别的不说了 ， 还是说说光刻机的事情吧 。文章里关于光刻机是这样一段：
网络奇文：40年前美国第一 ， 中国第二……不知不存在的玩意怎么付诸东流？看看看看 ， 1972年 ， 中国就编过《光刻掩膜版的制造》一书 ， 充分证明中国在当时是有光刻机的 ， 和日本差不多同时起步 ， 到1980年已经接近国际主流水平……这就应了一句话 ， 叫作“开局一张图 ， 过程全靠编” 。光刻机这事情太火 ， 而技术又非常复杂 ， 广大吃瓜群众懒得去了解细节 ， 所以就给骗子留下了充分的空间 。 要揭穿这个谎言 ， 还得从光刻的原理说起 。光刻原理与工艺光刻机是个很高大上的东西 ， 但光刻的原理其实简单得一塌糊涂 。 且看下图：
刘多勤.光刻技术及其战略选择[J].电子工业专用设备,1993(01):1-8+24.制作芯片的过程 ， 就是先在硅片上刻出线条 ， 然后在线条里倒进铁水（……呃 ， 其实是离子注入） ， 这样就能够形成一个电路 ， 再封装就可以用了 。在硅片上刻出线条的过程 ， 大致包括：（1）画出线路图；（2）把线路图制作成掩膜 ， 其实就相当于照相的底片；（3）把底片投射到涂了光刻胶的芯片上 ， 就像洗照片一样；（4）按照光刻胶上的图案进行刻蚀 。光刻就是上述的第三个阶段 。光刻的技术 ， 简单说就是两种：接触式光刻 ， 投影式光刻 。 （复杂的分类方法包括接近式光刻、分步重复光刻、电子束光刻、X射线光刻、离子束光刻等等 。 后三种属于非光学光刻 ， 和现在我们说的光刻不是一码事 。 这个分类其实是乱的 ， 在此不细说 。 ）所谓接触式光刻 ， 就是把掩膜（也就是底片）直接放在硅片上 ， 然后用光照射；因为掩膜和硅片直接接触会造成磨损 ， 所以有时候会把掩膜拿高一点 ， 离开硅片0.1微米 ， 这样就叫接近式光刻 。 因为掩膜和硅片有了距离 ， 光线会出现散射 ， 所以接近式光刻的效果会差一些 ， 好处就是能够保护掩膜 。接触式光刻的技术非常简单 ， 是直接从照相洗印技术发展过来的 ， 大约在1960年之前就已经得到应用了 。所谓投影式光刻 ， 是在掩膜和硅片之间加了一个透镜 。 光穿过掩膜 ， 通过透镜投射到硅片上 。 这种方法的好处一是避免了掩膜与硅片的接触 ， 二是可以实现缩印的效果 ， 而后一点才是最重要的 。
投影式光刻接触式光刻中 ， 掩膜和硅片上的图形是同样大小的 ， 所以掩膜的分辨率决定了硅片的分辨率 ， 而掩膜的分辨率很难提高 ， 达到1微米已经是极限 ， 这就决定了硅片的分辨率无法进一步提高 。投影式光刻克服了这个问题 ， 1微米分辨率的光线通过透镜可以缩小到几十甚至几纳米 ， 这样就可以在不提高掩膜精度的条件下 ， 提高硅片的分辨率 ， 实现从微米级向纳米级的提升 。这一节划两个关键词：接触式光刻 ， 投影式光刻 。国际光刻技术状况美国在20世纪50年代就已经拥有了接触式光刻机 ， 60年代提出了投影式光刻概念 ， 但真正研制成功1:1投影式光刻机是在1973年（美国Perkin-Elmer公司） 。 由于投影式光刻技术较复杂 ， 设备价格较高 ， 在70年代出现了接近式光刻概念 ， 典型产品有佳能的PLA-520FA ， 美国Kasper的2001型 。 （杨亮生,黄提多.国外典型半导体光刻设备介绍[J].光学仪器,1980(03):43-50+65.）1978年美国GCA公司推出“分步重复精缩投影光刻机” ， 将投影光刻的比例发展到1:5或1:10 。 这台设备被命名为4800DSW ， 此后很长一段时间 ， 我国国内都将分步光刻机称为DSW 。
邬纪泽.美国大规模集成电路用光学设备(出国参观考察报告)[J].光学工程,1980(03):12-35分步光刻机的概念提出之后 ， 光学光刻机的技术路线就基本上稳定下来了 ， 后续的光刻机基本上都属于这种类型 。 差异只在于光源的变化 。关于光源也可以回顾一下：60年代的光源主要为普通可见光光源 。80年代开始使用高压放电汞灯产生436纳米（G线）和365纳米（I线）光源 ， 为近紫外光源 。90年代之后 ， 开始使用准分子激光器产生248纳米（KrF）、193纳米（ArF）、157纳米（F2）光源 ， 为深紫外光源 。2010年后 ， 开始出现13.3纳米的极紫外光源 ， 也就现在说的EUV 。下图有一个点画错了 ， 应当是157纳米的F2光源 。
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