【科普】工業(yè)皇冠上的明珠、芯片制造的利器—光刻機(jī)

相信大家已在新聞中了解到，中國(guó)的高端芯片產(chǎn)業(yè)遭無(wú)理打壓，面臨著被“卡脖子”的困境。為什么芯片制造這么難，會(huì)被“卡脖子”？本文就來(lái)科普芯片制造過(guò)程中最為重要的利器：光刻機(jī)。

晶圓(圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò))

上圖中，左側(cè)為未經(jīng)半導(dǎo)體制程加工的晶圓，右側(cè)是一塊經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體前道制程加工后的晶圓。右側(cè)晶圓上的一個(gè)個(gè)小矩形切割下來(lái)之后，就是我們?nèi)粘Ｋ玫男酒膬?nèi)核：裸片。光刻機(jī)在芯片制造過(guò)程中所擔(dān)當(dāng)?shù)墓に嚵鞒蹋菍?duì)晶圓進(jìn)行極為精密的加工—光刻。

本文按照各個(gè)工位來(lái)介紹芯片制造的核心制程—光刻制程，并展現(xiàn)光刻機(jī)的工作原理及方式。

一.光刻制程

光刻機(jī)并非直接作用于硅晶圓，而需要“光刻膠”作為媒介。光刻膠是一種對(duì)光敏感的高粘性液體。中國(guó)的高端光刻膠產(chǎn)業(yè)目前也面臨被“卡脖子”的困境，為此許多國(guó)產(chǎn)廠商正在努力破局。

制程的第一步是在晶圓上旋涂光刻膠，并烘烤。旋涂，是利用旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的離心力使晶圓表面的光刻膠液滴向外擴(kuò)散、變薄，最終完全覆蓋晶圓表面，并趨于高度的均勻。

下一步的烘烤，促使光刻膠中的溶劑揮發(fā)，使其變硬，與硅片緊緊結(jié)合。

這樣，就得到了一塊均勻覆有固態(tài)光刻膠的晶圓，經(jīng)過(guò)量測(cè)合格的，便可以使用光刻機(jī)進(jìn)行光刻（曝光）了。

制程的第二步是光刻機(jī)曝光。全世界目前有三大光刻機(jī)廠商：占統(tǒng)治地位的是荷蘭的ASML（阿斯麥），其余兩家是日本的尼康和佳能。本文以目前全世界最高端的、ASML產(chǎn)的EUV（極紫外）光刻機(jī)為例展開(kāi)介紹。光刻機(jī)裝備的核心部件有光源、鏡頭、工作臺(tái)，每個(gè)部件都結(jié)構(gòu)復(fù)雜、經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，需要將精度、效率和穩(wěn)定性發(fā)揮到極致。

ASML產(chǎn)EUV光刻機(jī)（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

在光源部件里，能量強(qiáng)大的激光以每秒數(shù)萬(wàn)次的頻率轟擊發(fā)生器發(fā)射出的熔融金屬錫微滴，令其蒸發(fā)為等離子體。這樣，等離子態(tài)的錫就會(huì)發(fā)出光刻機(jī)曝光所需的高能量的極紫外光。

如此大費(fèi)周章地制造極紫外光，而不使用易得的普通紫外光，是因?yàn)楣饪虣C(jī)的加工精度直接受制于光源波長(zhǎng)，光源的波長(zhǎng)越短，能光刻得到的結(jié)構(gòu)就越精細(xì)。以上述方式得到的極紫外光，波長(zhǎng)僅為13.5納米，而這樣的光源我國(guó)目前仍然無(wú)法制造，尚存巨大的技術(shù)鴻溝。

極紫外光在EUV光刻機(jī)里的傳輸路徑

上述過(guò)程發(fā)射出的極紫外光將先到達(dá)光罩。光罩通常以石英為基底，上鍍有金屬鉻與感光膠，形成放大數(shù)倍的芯片電路圖案，在EUV光刻機(jī)里，圖案倍率為16。

光罩下方的鏡頭與照相機(jī)鏡頭的工作方式類(lèi)似：復(fù)雜的反射鏡頭組，將極紫外光通過(guò)光罩反射的電路圖案縮小，聚焦投影在晶圓上，使得照射到的晶圓表面的光刻膠發(fā)生化學(xué)變化。光刻機(jī)鏡頭的制造也是一項(xiàng)門(mén)檻極高的高科技，需要極為精密、長(zhǎng)期積累的研磨拋光技術(shù)，目前深圳大學(xué)半導(dǎo)體制造研究院依托深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目，提出獨(dú)特創(chuàng)新的超精密研拋方法和策略，密集開(kāi)展光刻機(jī)鏡頭的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)。

光源部件在光刻機(jī)里是固定的，要讓光罩上的電路圖案被完整地投影到晶圓各個(gè)部位上，就需要工作臺(tái)的配合：工作臺(tái)的光罩平臺(tái)模組承載著光罩并來(lái)回移動(dòng)，晶圓平臺(tái)模組精準(zhǔn)定位晶圓的位置并進(jìn)行移動(dòng)。為保證加工精度，每一次移動(dòng)后停止位置的定位精度都要達(dá)到納米級(jí)。光刻機(jī)價(jià)格昂貴、工作時(shí)的耗電量極大，因而光刻制程中時(shí)間就是金錢(qián)，高端光刻機(jī)工作臺(tái)部件的移動(dòng)速度極快，工作時(shí)的加速度達(dá)到自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度的數(shù)倍。為進(jìn)一步提高加工效率，ASML還采用了雙工作臺(tái)模式，這樣，在前一片晶圓進(jìn)行曝光時(shí)，就可以對(duì)下一片晶圓的位置進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。

光刻機(jī)工作臺(tái)模組示意圖與實(shí)物（右圖來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

最終，晶圓表面的光刻膠在極紫外光的照射下發(fā)生化學(xué)變化，達(dá)到了曝光的效果。將這塊顯影完成的晶圓浸泡在特殊的溶液中，就像以前人們?cè)诎凳抑袥_洗相片一樣，在晶圓表面的光刻膠上形成圖案。

此外，經(jīng)過(guò)光刻制程后的晶圓還需進(jìn)行后續(xù)的刻蝕、成膜、CMP等復(fù)雜精密的半導(dǎo)體工藝流程，才能成為本文開(kāi)頭所示的芯片裸片。

二.廣東的芯片制造業(yè)概況與深圳大學(xué)半導(dǎo)體制造研究院簡(jiǎn)介

在廣東省和深圳市政策的大力扶持下，以及發(fā)達(dá)的半導(dǎo)體終端應(yīng)用產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)下，廣東地區(qū)涌現(xiàn)了越來(lái)越多的集成電路制造企業(yè)。規(guī)模較大的晶圓廠有廣州的粵芯半導(dǎo)體，深圳的中芯國(guó)際、比亞迪、鵬芯微、方正半導(dǎo)體，近期深圳華潤(rùn)微電子又與深圳政府合資新建一座晶圓廠——潤(rùn)鵬半導(dǎo)體，坐落于深圳市寶安區(qū)。

針對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“軟硬/硬軟（設(shè)計(jì)較強(qiáng)/制造很弱）”的現(xiàn)狀，深圳大學(xué)于2019年成立半導(dǎo)體制造研究院，主攻半導(dǎo)體“卡脖子”制造技術(shù)的研發(fā)，立足深圳及粵港澳大灣區(qū)，充分發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研機(jī)制，直接服務(wù)于國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)，解國(guó)家燃眉之急。研究院下設(shè)光刻機(jī)研發(fā)中心、傳感器研發(fā)中心、SiC器件研發(fā)中心、封測(cè)研發(fā)組等科研機(jī)構(gòu)。各科研方向團(tuán)隊(duì)全部實(shí)行PI負(fù)責(zé)制，現(xiàn)已有超20個(gè)團(tuán)隊(duì)，在讀碩博研究生近50人，每個(gè)團(tuán)隊(duì)均與領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研合作研發(fā)。研究院目前在光刻機(jī)核心零部件，半導(dǎo)體制造前后道（含光刻、刻蝕、成膜、CMP、劃片、先進(jìn)封裝等）關(guān)鍵工藝及裝備領(lǐng)域開(kāi)展研發(fā)工作。

深圳大學(xué)半導(dǎo)體制造研究院骨干成員：

作者：郭登極，李卓然，李徠，楊彥東，趙澤佳（單位：深圳大學(xué)）

審核：中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)

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