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光刻机的起源是什么，未来又将走向何方？光刻技术经历了怎样的进化，如何做出更小的芯片，初代光刻机，比超级玛丽魂斗罗有着什么样的联系？国产光刻机又是什么时候在哪些环节，拉开了差距，欢迎走入光刻机进化史。
上期视频我们讲解了光刻的基本原理和流程，一句话概括，就是把光掩膜上的集成电路版图复刻到硅片上的光刻胶上，从而进行之后的刻蚀，沉积或离子注入，光刻是芯片制程中最核心的步骤，而光刻机又是其中最核心的设备，所以接下来，我会用两三期的篇幅，讲解一下光刻机的前世今生，光刻厂商的兴衰起伏，以及光刻技术的发展进化。
遮蔽式光刻：
首先，让我们把时针拨回1960年。这一年，洁净室诞生，不久，首枚集成式芯片被生产出来，人类迈入大规模集成电路时代，1965年，预言家摩尔提出了摩尔定律，成为接下来50年半导体技术的路线图，和现在的芯片设计制造必须要用到计算机和EDA软件不同，在60年前的半导体远古时代，这些硬件和软件都还不存在，
所以60年代的芯片生产，要靠人工手搓，初代芯片工程师们先在方格纸上，用彩色铅笔绘制好集成电路版图，再用精细的刀片，在光掩模母版（Rubylith Mask)上，徒手把晶体管和电路连接，一点点刻出来，最后把模板图形，用相机缩小50-100倍，才能获得一张用来做光刻的光掩模，而和这种手工掩膜相匹配的原始光刻机，就是接触式光刻机，
顾名思义，接触式光刻机只会简单粗暴地把光掩膜盖在硅片上，掩膜与光刻胶涂层直接接触，再打光照射，完成曝光，然而这种光照方式的失败率和成本都很高，因为胶体本身及其黏附的浮尘微粒，不仅影响光刻效果，还会对光掩膜造成污染和破环，并且伤害效果会随着光刻次数累积，这不仅使每次光刻的良率低下，往往刻10枚芯片，只有1枚能用，同时也严重损耗光掩膜的寿命，导致一张掩膜，最多只能用个十几次，解决这个问题，把光掩膜抬起来一点，不让它与光刻胶接触不就行了吗？
早期工程师们也是这么想的。于是他们在接触式光刻机的基础上，加了一个水平和垂直方向上可移动的平台，以及一个用来测量光掩膜和硅片间距与套刻（Overlay)的显微镜，让光刻时两者尽量靠近，但又不直接接触，这就是渐进式光刻机。它避免了光刻胶玷污光掩膜，但却带来一个新的问题：那就是由于光的衍射效应，光刻机的精度下降了。
宏观上我们认为，光是沿直线传播的，但微观上并不是这样，光具有波动性，在通过小孔窄缝或遇到细微障碍物时，会产生衍射，或者叫绕射，偏离原本的直线传播，照到不应该照到的地方，光源波长，相比窄缝越大，衍射现象越严重，这就像你举着刀，想在硅片上劈一条100纳米宽的口子，结果发现刀刃就有400纳米宽，只能用来劈瓜。
在渐进式光刻中，光刻精度除了受限于波长之外，还取决于光掩膜到硅片之间的距离，间距越大，硅片上的投影与掩膜上图形的误差就越大。把光掩膜举起来，光刻精度就不够；把光掩膜放下去，光刻成本又太高，这个徘徊于接触和渐进式光刻机的时期，就是半导体史上的遮蔽式光刻年代。而这两种古早的光刻机，统称为Mask Aligner,它们所使用的1：1光掩膜，就是一个遮光板，光刻机只用把光影照在硅片上，构造简单，不需要任何复杂的光学系统，
这一时期，三家最早的光刻机厂商，是K&S（Kulicke and Soffa),Cobit 以及Suss,它们为首批芯片的诞生，创造了条件，1969年，刚刚成立一年的英特尔，用接触式光刻机，生产出了它的第一款产品，3101 SRAM 存储芯片，两年后又推出了世界上第一枚商用CPU，英特尔4004，然而说是商用，当时却没有人能买得起，原因就在于接触式光刻的生产良率太低，对光掩膜的损耗太大，导致芯片价格昂贵，只能用于科研和军工。
投影式光刻：
但实际上，就连一向土豪的美国军方，都嫌芯片太贵，尤其是空军，因为开发导弹系统需要消耗大量芯片，所以美国空军在1967年联系了一家老牌光学设备厂商，Perkin Elmer,希望能做出一种精度高，又不用把光掩膜压在光刻胶上的光刻机，拿到军方合同后，经过数年的改进与开发，Perkin Elmer 在1974年推出了划时代的Micralign 100,这就是目前主流光刻机的初号机，
而光刻技术也在这一刻，从接触渐进式，踏入了投影式时代，初号机的构造并不复杂，Micralign采用反射型的投影方式，利用两片同轴的球面反射镜，把光掩膜上的图形，经过三次反射，投射在硅片上，这种对称的光路设计，可以消除球面镜产生的大部分像差，让光刻图形达到理想的分辨率，
Micralign的诞生，让芯片生产的良率从接触式光刻的约10%，一夜之间翻了7倍，飙到了70%，这一次光刻技术的飞跃，导致了芯片价格的暴跌，1974年的摩托罗拉6800微处理器，单价295美金，而第二年8名工程师从摩托罗拉跑路到了MOS科技，他们用刚刚诞生的投影式光刻机做出的MOS6502。不但性能更强，而且只卖白菜价25美金，这就是技术代差，带来的降维打击，这里提到的摩托罗拉和MOS科技，都是上古时期的芯片厂商，后来一家沉迷做手机，一家沉迷游戏机，MOS6502这款芯片，可能很多年轻的小伙伴，都没有听说过，但要是说起大名鼎鼎的任天堂红白机以及时代的眼泪，文曲星，都是基于MOS6502的产品.
总之让芯片从高攀不起的奢侈品，走入寻常百姓家，投影式光刻机功不可没，而Perkin Elmer,也收获了巨大的商业成功，他们的销售口号非常简单，买了我家的光刻机，省下10万张光掩膜，这对于当时用卡车买掩膜的半导体公司而言，诱惑极大，1974年，第一台Micralign 100就被德州仪器以98000刀的高价买下，是当年最先进的遮蔽式光刻机价格的三倍，之后英特尔也迅速跟进，虽然价格贵，但买到之后就发现捡到宝了，因为省下的光掩膜都是小钱，最重要的是芯片的生产良率翻了几倍，让芯片厂笑得合不拢嘴，
同样笑开怀的还有Perkin Elmer,在推出Micralign的第二年，光刻机订单就供不应求，抢手程度如同眼下的阿斯麦（ASML），大量客户排到了一年后，作为此前连芯片工艺都不太了解的光学设备厂商，Perkin Elmer 在短短不到三年的时间，就一跃成为半导体领域的头号供应商，然而好景不长，随着芯片制程的急速缩小，晶体管密度按照摩尔定律，每18个月倍增，基于透镜组的步进式光刻机，开始崭露头角，1978年美国GCA公司，率先推出首款步进式光刻机DSW4800，不久随着两家日本厂商尼康和佳能的崛起，光刻机从1：1投影时期，迈入了缩放投影时期，
而Micralign纯反射型投影方式的弱点，越来越明显，比如反射镜，很难用来完全消除球面像差，阻挡率高的反射光路，也导致数值孔径和图像分辨率太低，这些都让Perkin Elmer的光刻机，追不上更精密的芯片制程。
光学偏差与纠正：
什么是像差？分辨率，数值孔径？这些是衡量一个成像系统的重要参数，这里就要插入一些基本的光学知识了，还记得初中物理课上的凸透镜成像吗？在凹透镜前放置的物体，只要距离合适，就会在镜后的屏幕上，投射出一个完美的倒立影像，但完美只是理想的情况，实际上物体各部分与透镜距离不等，距离远的部分成像近，距离近的部分成像远，
所以最完美的成像面，不是一个平面，而是一个曲面，这就是基本像差的一种，像场弯曲，简称场曲，很多早期的平价相机，为了让图像质量更好，会设计成拍照时，让底片弯曲来完成曝光，以迎合曲面像场，但传统硅片脆度高，是不能被掰弯的，所以光刻机必须要通过复杂的镜头组合来抑制场曲，
另外，不知道在上小学的时候，你有没有拿放大镜烧过蚂蚁？放大镜和蚂蚁之间的距离，叫做焦距。凸透镜的能力，就是让光线折射，汇聚在一个焦点上，但这其实也只是理想的情况，实际上平行光在球面透镜的边缘和中心部分的折射程度是不同的，凸透镜边缘处的折射幅度大，对应的焦距会缩短，成像距离前移，而凹透镜则刚好相反，这种由于焦距偏差，导致球面透镜边缘处的成像模糊，就叫球面像差，简称球差，所以光刻机中，要用凸透镜和凹透镜的组合，或者是使用非球面镜来消除球差，
与之类似的现象是色差。我们看见的颜色，取决于可见光的波长，而不同波长的光，在透镜中的折射程度不同，无法汇集在同一焦点，这同样会导致成像问题。因此相机镜头也会用凹凸透镜的组合来抵消色差，
当然我们做光刻用的不是复合光，通常是单一波长的紫外光，色差问题可以不考虑。但像差问题除了前面提到的场曲和球差，还包括彗差，像差和畸变，总之芯片制程越小，光刻图形对各类像差的容忍度就越低，越需要复杂的光学系统来做矫正，所以结果就是，光刻机的透镜数量越来越庞大，组合也越来越复杂，现代光刻机的成像系统，是动辄30枚镜片的组合，这种大型镜头的镜片协调，对准，测量，温控以及曝光时误差补偿的难度，可想而知。
这里顺便说一句，我国光刻机的最初起步并不晚，在半个实际前的遮蔽式光刻时代，上海光学机械厂就造出了劳动牌接触式光刻机，而进入投影式光刻时期，我们的光刻和研发就落后了，当然这其中的原因很复杂，但技术上的一个重要因素是我们在复杂光学系统的研究与制造上，与西方存在差距，这个差距，大约在光绪28年（1902),当德国蔡司的保罗鲁道夫，做出4片3组式天塞镜头（Tessar)的时候，就已经开始形成了。
人类要造出光刻机这种复杂设备，需要点亮的前置技能非常多，包括光学，机械，电子，软件，自动化，控制技术等等，只要有一个环节出现短板，光刻机就会难产。比如阿斯麦作为一家荷兰公司，假如没有德国的镜头，美国的光源，它也造不出高端光刻机，当然阿斯麦（ASML）的崛起，是后来的故事，在80年代初的光刻机舞台上，即将上演的还是美日厂商之间的对决，
结:
至此我们回顾了半导体最早的遮蔽式光刻，和70年代中期开始的1：1投影式光刻，这一时期主要由美国厂商所主导，尤其是Micralign系列光刻机，曾经雄霸市场，但却仅仅风光了数年，便很快被更先进的步进式光刻机所取代，
那么从80年代开始，光刻机经历了怎样的进化，分化出哪些技术路线，日本双雄如何打败美国厂商，引领全球光刻机市场，荷兰的阿斯麦（ASML）又是如何异军突起，后来居上，还有分辨率和数值孔径到底是什么？它们对光刻技术和芯片制程有着什么样的影响，下期光刻机进化史，我们来接着聊。
尾声：
最后，我想说下光刻初号机Micralign的结局：Perkin Elmer 在中国知道的人并不多，其实著名的哈勃望远镜用的正是他们的镜片，随后阿波罗11号更是将他们的仪器带上了月球，但除了光学配件，这家公司最大的贡献，还是1974年推出的Micralign投影式光刻机，因为在这之后，芯片的低成本量产才成为可能，原先高不可攀的芯片，才能做成消费电子品，飞入寻常百姓家。让信息时代真正走入大众的生活，
然而可惜的是，在凭借Microlign占领了光刻机市场后，Perkin Elmer开始变得骄傲自满，固步自封，既没有在研发上大力投入，也没有广泛聆听客户的需求，而当时的芯片制程正一路狂缩，对光刻精度的要求，也日新月异，新出现的步镜式光刻机，很快就通过更小分辨率和缩放光掩膜的优势占据了市场，等到Perkin Elmer猛然惊醒，早就为时已晚，步进式光刻机的优势已经无法追赶，不甘认输的他们，把最后的赌注压在极紫外光源上，是的，你没有听错，在上世纪80年代，Perkin Elmer的最后一搏，就是开发EUV光刻机，可惜当时很多配套的技术条件并不成熟，尤其是能用于极紫外光的光刻胶还不存在，要等到近30年后，EUV光刻机才在ASML手中实现量产，而当年的Perkin Elmer,只能接受失败的结局，并终于在1990年，把昔日最风光的光刻机部门卖给了SVG（Silicon Valley Group),
而后者，又在2001年被ASML并购。换言之，40年前的光刻机老大，历经了半导体时代的风云变幻，最终委身于当今的光刻机老大，仿佛是一个闭环，而Perkin Elmer的投影式光刻，始于反射镜，终于EUV，兜兜转转40年，到如今最前沿的EUV光刻机又回归了反射镜的构造，这仿佛也是一个闭环，
人类绝大部分时间的科研努力，都是在一圈圈的来回摸索，只有积累到一定程度，才会找到一个突破口，让技术实现一段螺旋式的上升，在追逐科学与真理的道路上，没有人知道出口在哪，还要走多少弯路，我们能做的只有保持谦逊，不断前行。
