人类是怎么管住光的
Redknot 在视频里抛过一个暴论：看一个文明到了什么高度，就看它操控自然力量、能造出的最宏伟的工程是什么。我挺认同这个说法。照这个标准，造芯片的光刻机，差不多就是我们这个时代最能代表人类高度的工程之一。
前四篇聊的那些晶体管、缓存、浮栅、电容，说到底都是硅片上的一堆微观结构。那这些结构是怎么弄上去的啊？靠光。而且光这个东西，除了刻芯片，换个用法还能拿来造屏幕。这一篇就把这两件事都讲了。
光刻的流程本身不复杂
先把电路图做到一张模板上，这个模板叫掩膜。然后拿光透过掩膜，去照涂了光刻胶的晶圆。被光照到的光刻胶会变性，拿显影液一冲就掉，露出来的部分再送去刻蚀，图案就这么转到硅片上了。
光刻五步流程：光透过掩膜照射光刻胶，显影冲掉变性部分，再刻蚀，把电路图案转到硅片上。
但制程一小到纳米级，麻烦就来了，光自己的物理性质开始捣乱。光是一种波，1801 年托马斯·杨的双缝干涉实验就把这事钉死了。是波就会衍射：光穿过掩膜上的窄缝，不会规规矩矩走直线，会往两边散。缝越窄，散得越厉害，投到晶圆上反而越宽。你想往细了刻，它反而给你糊开，这就很拧巴。
对付衍射，当年分出了两个流派。一派是让晶圆尽量贴近掩膜，趁光还没来得及散开就赶紧曝光，这叫接近式光刻。另一派反过来，让晶圆离远一点，中间架一个凸透镜，把掩膜上的图案缩小了再投到晶圆上，这叫投影式光刻。投影式有个关键指标，数值孔径（NA）：透镜越大，能收进来的衍射光越多，成的像越锐利，刻出来的电路就越好。不过说到底，不管哪一派，想压住衍射，最根本的办法都是把光的波长做短。波长越短，衍射越弱，散得就越少。
X 光看着最短，结果是条死胡同
既然波长越短越好，那干脆一步到位，用最短的。大家第一个想到的是 X 光，波长只有 1 纳米。IBM 上世纪六十年代就立项猛攻，到八九十年代，X 光真的能拿来造芯片了。但用起来才发现，这东西毛病一堆。
最根上的毛病是 X 光不拐弯。它穿人体的时候几乎不为任何组织改方向，要么直接穿过去，要么被吸收——这正好是它能拍片子的原因。但放到光刻里，这意味着它完全无视玻璃透镜，透镜掰不动它。没了透镜就用不了投影式，只能被迫走接近式。
而接近式的毛病，讲道理是一个比一个离谱。第一，掩膜必须和芯片 1:1 等大，你想刻 10 纳米的电路，就得先在掩膜上做出 10 纳米精度的图案，这本身就难如登天。第二，晶圆得贴到离掩膜只有一二十微米，曝光正好落在一个很不稳定的区域，叫近场衍射区，掩膜和晶圆的距离差一微米，图案就面目全非。第三条最要命：想挡住 X 光，掩膜上的图案得拿黄金做。X 光一照，黄金把能量吸收掉、转成热，掩膜反复热胀冷缩，金膜一裂，整张掩膜直接报废。
当年在 IBM 里死磕深紫外光、一直不看好 X 光的林本坚，留下过一个名场面。X 光团队取得进展，上司给每人发了件 T 恤，印着「X Ray works」，X 光有用。林本坚拿到手，转身在后面加了仨词挂出来给同事看——「X Ray works for the dentists」，X 光有用，对牙医来说。Redknot 管这个叫真正的「领导夹菜我转桌」。后来整个行业都证明了，林本坚的直觉准得可怕。
最后 X 光被抛弃，行业沿着投影式这条路把波长一级级往下压：436 纳米、248 纳米、193 纳米。中间 157 纳米那次尝试还失败了，被林本坚提出的 193 纳米浸润式光刻反杀。再往后，人类一步跨到 13.5 纳米，也就是现在天天听到的极紫外光，EUV。
为啥偏偏是 13.5 啊？因为再短，就又没有器件能驾驭它了。13.5 纳米已经用不了玻璃透镜，得靠一种特殊的反射镜：拿钼和硅交替叠几十层，课本里管这个叫布拉格反射镜，对 13.5 纳米的光能做到 70% 的反射率。其实还有个更好的组合，钼加铍，能反射 11 纳米，反射率还更高。可惜铍剧毒，真用它，估计没人敢去晶圆厂上班了。所以最后为了迁就人这副肉身，选了 13.5。至于再往下的 6.7 纳米，Redknot 是悲观的，他甚至觉得硅基这条路可能真的有天花板。当然，他也说无比希望自己被打脸。
把晶体做到几纳米，它自己就会发光
光能刻芯片，换个玩法还能发光。先说原理：电子在原子里待在一格一格的「能级」上，给它注入能量，它就跳到高的那格；等它掉回来的时候，那点能量差就以光的形式吐出来。能量差越大，吐出来的光越偏蓝。
但你拿一大块晶体来试，会发现它只发热，不发光。为啥啊？因为在一大块晶体里，电子能在整块晶体里乱逛，原本一格一格分明的能级被打得稀碎，连成一片。电子掉回来的时候不是一步跳到底，而是顺着密密麻麻的小台阶一级一级往下挪，能量全在路上变成了热。Redknot 这里有个绝妙的比方：大力士把你扔上 20 层楼顶，你直接跳下来，会化成一道光；你要是乖乖走楼梯下来，那就只能出一身臭汗。
那要是把晶体缩到只有几纳米呢？电子又被关回狭小的空间里，能级重新变回一格一格离散的，它一跳一落，又能发光了。更妙的是，晶体越小，能级间隔越大，发的光越蓝；晶体越大，发的光越红。也就是说，光靠控制晶体的尺寸，就能精准调出想要的颜色。这种几纳米的小晶体就叫量子点，2023 年的诺贝尔化学奖发的就是它。现在的高端液晶电视就是这么干的：拿高能量的蓝光去打量子点，小颗的被激出绿光，大颗的被激出红光，再混上原本的蓝光，凑成又纯又亮的白光当背光。颜色比老式荧光粉那套干净太多了。
量子点尺寸决定发光颜色：晶体越小发的光越蓝，晶体越大发的光越红，靠调尺寸就能调色。
把屏幕塞进眼镜腿
显示这条线还能再往下走。先说最朴素的问题：屏幕贴得太近，人眼是对不上焦的。解法是塞一个凸透镜，把屏幕的虚像放大、推远到能对焦的距离。两块屏幕把整个视野都挡住，那就是 VR；要是既能看见屏幕，又能看见外面的真实世界，那就是 AR。
AR 的第一种做法叫 birdbath：屏幕架在上方，靠一块半反半透的球面镜把画面折进眼睛。为啥叫这个名字？因为那块球面镜长得活像外国公园里给小鸟洗澡的浴盆。这个方案够亮，但又厚又挡光，没法当日常眼镜戴。想做轻薄，就得把屏幕挪进眼镜腿，靠玻璃内部的全反射，把光一路导到眼前再放出来。这个东西叫光波导。
但光波导一上来就撞上 AR 的「不可能三角」：一个是视场角（FOV），画面能占多大视野；一个是眼盒（eye box），眼睛在多大范围里晃还能看到完整画面；一个是镜片尺寸。三个指标按下葫芦浮起瓢。镜腿里镜片做不大，想要大 FOV 就得牺牲眼盒，结果眼睛稍微一动就啥也看不见了。工程师的解法是多开几个出光口，给眼睛留余地。具体有两条路：一条靠多层半反半透镜，叫几何阵列；一条靠光栅衍射，叫衍射光波导。
AR 光波导的不可能三角：视场角、眼盒、镜片尺寸三个指标互相牵制，按下一个另一个就浮起来。
但衍射这条路有个天坑：不同颜色的光，衍射角不一样。RGB 三个颜色过完光波导会互相错位，画面直接糊成重影。这也是为啥市面上不少衍射波导眼镜干脆只做单色绿——三个颜色对齐太难了，而人眼恰好对绿色最敏感，绿色还最省电。真要做彩色，还要在大太阳底下看得清，就只能上亮度高到离谱的 Micro LED 屏，拿亮度硬跟阳光拼。
收尾
这个系列写到这就收尾了。回头看，第一篇讲灯丝怎么变成晶体管，第二篇讲电路怎么记事、缓存为啥决定性能，第三篇第四篇讲磁盘、闪存和 HBM，这一篇讲光刻机，拿 13.5 纳米的光在硅片上刻电路。其实说到底，这五篇讲的是同一件事，就是人类怎么把电和光这两样最不好拿捏的自然力，一点点管到自己手里。至于硅基这条路后面还有没有得走，Redknot 是悲观的，我倒愿意赌他被打脸——他自己也说想被打脸。后面怎么样，走着看吧。
本系列到此收尾，五篇都整理自 B 站 UP 主 Redknot-乔红 的硬件科普合集。「大力士扔你下 20 层楼」「领导夹菜我转桌」这些神来之笔全是他的原话，他把硬核原理讲得又准又好玩，强烈建议去看原视频。本系列只做了主题重编与文字转写，讲错的地方，锅都在我。