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造芯片，首先要有光，人类如何用飘渺无形的光，雕刻出一枚精巧至极的芯片，为什么光刻是芯片制造中一切工序的基础，而晶圆厂中的光刻流程，具体又有哪些步骤，今天这个视频，让我来给你说明。经过前三期的视频，我们了解了硅片的制作过程和洁净室的工作原理，既然原材料和无尘车间已经到位，那么从这期开始，我们来逐个揭秘每个关键环节和设备，掌握这些知识有什么用呢？就是万一不小心穿越到古代，重建现代文明的任务就交给你了！所以别忘了做好笔记。
光刻原理：
硅片到芯片的蜕变之旅，就让我们从光刻与光刻机说起。光刻，顾名思义，就是用光来雕刻，为什么是光？因为它快，对于24小时运转的芯片厂而言，时间就是金钱，速度决定产量，而在我们所处的宇宙中，光就是速度的极限，啪的一下，很快啊，光刻就完成了，那光是如何被驾驭，用来刻出芯片的呢？答案是通过光掩膜，光刻机和光刻胶.
光掩膜是芯片的蓝图，是一张刻有集成电路版图的玻璃遮光板，
光刻机就像一台纳米级的打印机，发光将光掩膜上的图形投射在硅片上，
光刻胶则是能把光影化为现实的一种胶体，
有着正胶和负胶之分，以正胶为例，它是一种见光死的材料，在暗中坚挺，单只要被特定波长的光照射，就会疲软，继而能被溶解清除，负胶则刚好相反，利用光刻胶的这种光敏性，我们就能用光来雕刻芯片.
举个例子，假如我们想做一个沟槽式的内存芯片（DRAM），就得在平整的硅片上，挖几千个坑道（Trench)来做电容器矩阵，如何通过光刻，在一平方毫米的地方，同时挖出这么多间距和深度一致的坑呢？
首先，暗中给硅片涂一层光刻胶，再照上光掩膜进行曝光，也就是让光线按照光掩膜上设计好的坑位通过，照在光刻胶上，
这一部分的胶体就会疲软，随即被溶剂洗掉，而剩余坚挺的光刻胶，就成为了保护膜，
接着只要用能腐蚀硅的溶剂，把没有光刻胶保护的坑位区域，腐蚀掉一层，最后再把光刻胶保护膜清除，我们就在同一时间里，完成大量深坑的精确雕刻工作，而这种光刻后，对硅片定向做减法的腐蚀，就是刻蚀（Etching),
此外，我们也可以通过对硅片做加法来造坑，比如通入化学气体，在硅片上均匀生长出一层物质，此时没被光刻胶保护的部位，厚度增加，而长在光刻胶保护膜上的物质，会随着之后胶体的清除，而一同被清除，相当于厚度不变，这种定向做加法，就是沉积（Deposition),
刻蚀和沉积，都是芯片制程的重要工序，也是这一期视频挖的两个坑，以后会详细补上，所以侠义上的光刻，刻的不是硅片，而是硅片上的这一层光刻胶，把刻好的光刻胶作为蓝图，再结合下一步的刻蚀或沉积，才能对硅片进行雕刻加工，另外为了给半导体硅赋予电特性，我们还要在特定区域做离子注入，为此也得先进行光刻，把不想注入例子的区域用光刻胶贴膜保护.
正因为每一次刻蚀，沉积和离子注入几乎都需要光刻作为前提，所以在芯片制造的一切工序之中，光刻是根基，往往占据整套工艺近一半的工时和1/3的成本，这也是为什么我们首先讲解光刻的原因，光刻的流程，总结起来非常简单，涂胶，曝光，冲洗，完事儿，是，但不完全是.
光刻基本流程：
在实际生产中，我们每做一次光刻，至少要经过八个步骤，三次烘培，第一步是硅片清洁与表面处理，光刻对于清洁度的要求，远远超过最先进的手术室。所以光刻前，要给硅片洗个澡，先湿法清洗，再用去离子水清洗，来去除吸附在硅片表面的污染物，上一道工序的残留物，以及溶剂中的金属例子等杂质，之后再通入一种叫做六甲基二硅烷的气体，简称HMDS，经过这种气体熏蒸后，硅片表面会被充分脱水，因为表面亲水羟基被置换成了疏水基，这样硅片就能更好的黏附光刻胶，所以这一步又称增黏处理，
之后，把过滤后的光刻胶滴在硅片中央，让硅片先高速转动，把胶体摊开，再以较慢的速度旋转，让胶体的厚度稳定，这个过程，大部分光刻胶，都会被甩出去浪费掉，只留一层均匀的胶体，相关于给硅片贴了个膜，那请问贴膜最怕什么，没错，最怕气泡，所以涂胶机器的转速控制和排风大小都非常讲究，因为光刻胶中一旦产生气泡，会影响后续工艺造成诸如过度刻蚀之类的问题，而另一个问题，我在第二期视频，将硅片生产为什么要磨边（倒角）时提到过，光刻胶在旋涂时，容易因为离心力，在边缘处累积，这种堆积在边缘，甚至流到背面的光刻胶滴，会影响硅片在光刻机中的曝光，所以涂胶完成后，还要去边（Edge Bead Removal),也就是在硅片边缘，喷涂溶剂，去掉边缘处一圈的光刻胶，
涂胶后，要对硅片进行曝光前的烘培，又称前烘（Soft Bake),这一步，机械臂会把硅片拿出，放在烤箱或者热板上进行烘焙，目的是减少光刻胶中的溶剂含量，让其更加浓稠坚固，提高与硅片附着的稳定性，前烘一般只用100度左右的温度，“烤”一分钟，光刻胶是不耐高温的，
前烘完成后，光刻机上场，对硅片进行曝光，
本期视频由于篇幅限制，这里我用三句话概况一下光刻机里发生了什么：
一，光掩膜 透镜组和硅片工作台会精密对准和调平；二，光源放光，三，移动工件台，让硅片有序曝光，三句话，让一台光刻机花了10亿元，可不要小看这平平无奇的三句话，里面隐藏了人类工程学的众多巅峰之作，比如透镜，表面起伏不超过0.05纳米的蔡司透镜，是地球文明最接近三体水滴的得意之作，比如对准，能同步对准和曝光的双工作台系统，是阿斯麦打败日本光刻机厂商的法宝之一，比如光源，由40千瓦驱动的极紫外光（EUV），是把液体锡轰成等离子体时发出的动感光波，之后我会用两期视频来详细告诉你，为什么光刻机这么贵，里面到底用了哪些黑科技，
现在先回到我们的制程，硅片从光刻机出来后，还要经历一道曝光后的烘培，简称后烘（PEB），这一步的目的是通过加热，让光刻胶中的光化学反应，充分完成，可以弥补曝光强度不足的问题，同时还能减少光科胶显影后，因为驻波效应，产生的一圈圈纹路，这里听不懂没有关系，以后讲光刻胶的那一期，记得回来补课，
后烘之后，把之前曝光的部分溶解清除，光掩膜上的图形，就复现在了光刻胶上，这就是显影和冲洗，
通常的作法，是先用去离子水，润湿硅片，然后把显影液，一般是四甲基氢氧化铵的水溶液，均匀喷淋在光刻胶表面，让光刻中被曝光的部分，充分溶解，最后再用去离子水冲走，假如是45纳米以下的制程，因为尺寸太小，溶解残留物的比表面面积过大，黏附力强，甩不掉，冲不走，所以还要喷氮气，把它们吹走，
显影完成之后，如果是湿法制程，还需要再烘焙一次，让保护膜更坚挺，更加顶得住刻蚀，所以又称坚膜烘焙，
以此来进一步减少光刻胶中的溶剂含量，防止多余的水分影响之后的湿法刻蚀，假如之后是等离子体刻蚀，也就是俗称的干法，这一步也可以省略。
最后还要用仪器测量光刻胶的膜厚，套刻精度，以及关键尺寸，像7纳米，5纳米这样制程的线宽缺陷，用光学显微镜肯定不够看了，必须用精度更高的，电子扫描显微镜，甚至是原子力显微镜才行，光刻胶的分辨率必须达标，才能保证以此为蓝图的刻蚀，沉积或离子注入，能顺利进行，而一张硅片，要反复经过上千次这样的操作，才能雕刻出数以亿计的电子器件及其对应的电路连接，最终，成为我们手机里的一枚小小芯片。以上就是光刻的基本原理以及简要的光刻流程。
国产替代：
目前来说，整个光刻流程需要的光刻机，光刻胶和光掩膜，它们的国产替代程度都很低，区别在于是基本依赖进口，还是大部分依赖进口，这些关键的材料设备，我们以后再单独分析，这里只说一下相对次要的涂胶-烘焙-显影轨道式一体机，顾名思义，它是和光刻机搭配使用，用来给硅片提供除曝光以外的光刻一条龙服务，价格不算贵，只有光刻机的1/20,目前在国内的芯片厂中，涂胶烘焙显影一体机.
基本被日本的迪恩士（SCREEN)和东京电子（TEL）所垄断，尤其是后者，市占率超过90%，作为芯片制造的重要设备供应商，东京电子的知名度，远不如聚光灯下的阿斯麦，但在业内，它是一家举足轻重的厂商，设备涉足光刻胶涂布，清洗，沉积和干法刻蚀等各个制造环节，尤其在目前最先进的EUV制程，光刻机是只有阿斯麦能做，而光刻胶涂布只有东京电子能做，
这里顺便说一句，日本半导体产业，曾经在80年代如日中天，但随后在美国的科技制裁和贸易打压下逐渐凋敝，而东京电子是其中极少数存活下来，并进一步发展壮大的企业，关于上世纪末，日本半导体的崛起与衰落，是一段非常值得当下我们借鉴的历史。回到涂胶烘焙显影一体机，目前具备国产替代能力的只有沈阳的芯源微，虽然市占率现在只有4%左右，而且由于技术和精度上的限制，只能用于28纳米以上的制程，但能够打破日本厂商的垄断地位，实现从零到一的转变，对于我们争夺技术话语权，提高谈判议价筹码，都是非常有意义的。
做设备和仪器，是一件很难赚到钱，又需要大量人才和资金的事情，其他国家几十年时间完成的技术积累，很难在一夕之间迎头赶上，我在讲解芯片的每个生产环节时，都会对比一下国内外的差距，这不是要长他人志气，相反，作为一名进过工厂，流过片的工程师，时常用着英文的仿真软件，德文的操作界面，日文的仪器说明，我比任何人都希望，有一天能用上中文界面的生产设备和测量仪器，我也相信，这一天一定会到来，为此绝不能盲目自信，固步自封，必须先冷静清醒地认识到差距在哪，才能用脚踏实地的态度来追赶。
到此就是本期视频的全部内容，当然这期为了方便大家理解，我跳过了一些知识点和技术细节，比如做深紫外光刻（DUV）需要涂的抗反射层（BARC），水浸没式光刻的隔水涂层，以及光掩膜畸变，光刻胶中毒等等问题，还有像光刻机曝光的过程，短短几秒钟的事情，里面的东西我可以讲上一整天，下一期我会讲讲光刻技术的进化史以及光刻机厂商之间的战争史，看看一台光刻机里，有些什么东西，凭什么卖他10个亿，工程师们又用了哪些丧心病狂的方法，才勉强让摩尔定律多撑了几年，还有作为后起之秀的阿斯麦，如何在45纳米的技术路线之争中，一战封神，带着三星台积电，鸡犬升天。
