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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