1.2 人工接觸式微影（Contact Printing）：工程師如何用顯微鏡手動對準光罩與晶圓？#

光刻的出身：把曝光當成手藝#

微影（lithography）的原理其實極其古老：印刷。把設計好的「圖形」（透光與不透光的圖案，即光罩 mask，通常是一片鍍鉻石英板），以紫外光投射到塗了感光光阻（photoresist）的晶圓上，再以顯影液「沖出」需要的形狀。

1950–60 年代的設備叫接觸式光刻機（contact printer），基本動作只有三步：

1. 手工對準（align）：技術員把光罩架在晶圓正上方；
2. 壓合（contact）：把光罩「直接壓在」晶圓的光阻上——貼到零間隙，以保證解析度；
3. 曝光（expose）：打開紫外光，曝光數秒到數十秒。

每一步都靠人手。工程師的一天是：

左手把 wafer 移動 0.5 mm，頭貼著顯微鏡看十字對準線。

第一批商用接觸光刻機（德國 Karl Suss 的 MJB 系列、美國 Kasper Instruments 等）本質上就是「顯微鏡＋對準台」的組合，直到 1970 年代中期仍在大量使用。

為什麼「接觸」有效、又糟糕#

接觸式的優點是解析度：光罩與晶圓零間距，光的衍射誤差最小；而且 1:1 同尺寸拷貝，光罩圖案與 wafer 完全一樣大小。

但「接觸」本身就是災難#

• 上／下 wafer 會刮傷光罩，反之亦然；
• 任何落在光罩上的顆粒（一粒沙、一根毛、呼吸的水汽凝結），會在同一批晶圓上印出一樣的瑕疵；
• 光罩消耗極快：多次接觸就會損毀；
• 對準精度全靠手：最佳約 ±1μm——無法應對 1970 年代更先進的製程需求。

人類手工微影的黃金期（1958–1975）#

• 積體電路的所有早期晶片（Noyce、Kilby 路線、Intel 4004 等）都在這種手工設備上做出；
• 1971 年 Intel 1103 DRAM（1024 bit，全球第一顆量產 DRAM）仍以接觸式光刻製造；
• 1974 年 Intel 8080 CPU 的製程約 6μm——已是手工接觸光刻的極限。

同期的主要設備生態：

這批廠商共同開啟「微影設備」的獨立品類，卻都暴露同一個問題：1:1 接觸技術的結構無法繼續往下走。

為什麼「投影式」成為需求？#

1970 年代的商務上有改良的「近接式（proximity）」曝光——wat 與 mask 之間留一個小空隙（gap），避免直接刮傷；但 gap 會造成衍射（Fresnel 條紋）與精度異常。

工程師開始尋求新的方法：投影曝光（projection）——在中間放一套光學透鏡系統，把 mask 的圖形成像到 wafer 面上：

• mask 不再接觸 wafer——刮傷問題消失；
• mask 與 wafer 尺寸不同——可以縮小投影（如 5:1 或 10:1，wafer 上是 mask 的 1/10 尺寸），減輕光罩製造壓力；
• 是第一個真正的「光學成像工藝」。

這個構想在 1970 年代落地成兩條技術路線：以全晶圓投影掃描為代表的 Perkin-Elmer Micralign，與以分區步進為代表的 GCA DSW——它們共同開啟了微影設備產業的黃金時代。

小結#

人工接觸式微影是半導體的「手工作坊時代」：它撐起了 1958–1975 年整個積體電路工業的出生（4004、8080 等），但一到工業量產階段就以良率崩壞自曝其短。對「不壓 wafer」的極致渴望，直接催生了以 Micralign 為代表的投影微影設備產業。