【芯論語】光刻如何一步一步變成了芯片制造的卡脖子技術(shù)？

摘要：芯片制造用到的技術(shù)很多，光刻是芯片制造的靈魂技術(shù)，但是開始的時候，光刻并不是所有技術(shù)中最厲害的。現(xiàn)在大眾認(rèn)識到了芯片的重要性，討論芯片產(chǎn)業(yè)的卡脖子問題時，提到最多的是光刻和光刻機(jī)。那么，光刻是如何一步一步變成了芯片制造的卡脖子技術(shù)？本文試圖一探究竟。

光刻技術(shù)是利用光學(xué)和化學(xué)反應(yīng)的原理，以及利用化學(xué)和物理的刻蝕方法，把電路圖形制作到半導(dǎo)體基片、或者下一層介質(zhì)材料之上，經(jīng)過有序的多次光刻工序疊加，最終把立體的電路結(jié)構(gòu)制作在半導(dǎo)體基片上，形成完整功能的芯片。

圖1.光刻工藝過程的示意圖

圖1是光刻工藝過程的示意圖。假設(shè)要在硅(Si)基片上光刻一個二氧化硅(SiO2)的T形圖案，大致要經(jīng)過6個工序。在光刻之前，首先在Si基片上生長一層SiO2層，然后從光刻膠的涂膠開始，經(jīng)歷涂膠、曝光、顯影、除膠、刻蝕、除膠等步驟。從圖上可以看到，第4步以及之前的過程為下一步刻蝕SiO2層上要去除的區(qū)域劃定了范圍。第5步是實際的加工過程——刻蝕，第6步是收尾過程，目的是清除SiO2的T形圖案上不需要的光刻膠。因此說，光刻有兩個階段，一是劃定范圍，二是針對劃定范圍進(jìn)行實際加工。

上述的光刻工藝過程與傳統(tǒng)照相的曝光和洗相過程很類似，理解起來并不困難。但是照相是一個過渡性的光學(xué)和化學(xué)反應(yīng)過程，并且過渡性的層次越多，照片影像就越細(xì)膩越好。而光刻是一個突變性的光學(xué)和化學(xué)反應(yīng)過程，要求突變盡可能快，圖形邊界越清晰越好。為了追求邊界越清晰、線條越細(xì)致的目標(biāo)，光刻技術(shù)走過了漫長的技術(shù)創(chuàng)新之路。

圖2.多次光刻工序“堆疊”形成立體的電路結(jié)構(gòu)

圖2是多次光刻工序“堆疊”形成立體的電路結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2(a)是一個晶體管的版圖。版圖按照制造工藝被拆分為至少5層掩膜版，如圖2(b)所示。芯片制造過程中要為每一層掩膜版安排一次光刻工序，經(jīng)過5次光刻工序后，立體的晶體管就“堆疊”而成了,如圖2(c)所示。

通俗地講，芯片制造就是在半導(dǎo)體基片上，用光刻在一層材料上“雕刻”形成特定圖形，一層一層的光刻實際上是縱向“堆疊”這些圖形，組成立體的晶體管、電路元件和連線等，最終形成具有完整電路功能的芯片。

一、為什么說光刻技術(shù)是靈魂技術(shù)？

光刻技術(shù)是芯片制造中的靈魂技術(shù)，如果沒有它的存在，芯片技術(shù)就不可能存在并快速發(fā)展。光刻之所以是靈魂技術(shù)，因為光刻要為其它芯片加工技術(shù)劃定加工范圍，光刻就像槍炮的瞄準(zhǔn)裝置一樣重要。其它加工技術(shù)不論多么復(fù)雜、多么高難度，也只有在光刻存在的前提下才能發(fā)揮作用。例如，要依賴光刻確定晶體管的多晶硅柵(Poly Gate)和金屬連線(Metal)的圖形、位置和走向等；要依靠光刻為擴(kuò)散區(qū)(Diffusion)、注入阱(Implant Well)、上下層過孔(Via、Contact)打開加工窗口等。所以，沒有光刻技術(shù)其它加工技術(shù)就無從談起。

從芯片的設(shè)計數(shù)據(jù)傳導(dǎo)到芯片制造的過程來看，傳導(dǎo)路徑非常清晰，那就是芯片設(shè)計版圖 -> 掩膜版 -> 光刻 -> 加工。一顆芯片的設(shè)計版圖要按照制造工藝分解為一套多張(層)的掩膜版，每張掩膜版對應(yīng)著一次光刻和加工過程。所以，光刻是芯片制造的靈魂技術(shù)。

進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光刻的精度不斷提高，已由微米級、亞微米級、深亞微米級,細(xì)化到目前的納米級，光刻用的光源也從常規(guī)光源發(fā)展到應(yīng)用電子束、X射線、微離子束、激光等新技術(shù)，光刻成為最精密的微細(xì)加工技術(shù)，也是芯片制造最為關(guān)鍵的技術(shù)。如果光刻的核心設(shè)備、材料等被個別國家壟斷和管控的話，光刻技術(shù)就成了“卡”其他國家芯片產(chǎn)業(yè)“脖子”的關(guān)鍵核心技術(shù)。

二、芯片制造中還要用到哪些技術(shù)？

芯片制造除了用到光刻技術(shù)，還有很多其它技術(shù)，例如刻蝕、氧化、擴(kuò)散、淀積、離子注入等。1.刻蝕是用化學(xué)或物理方法有選擇地從半導(dǎo)體材料表面去除不需要的材料的過程，光刻和刻蝕結(jié)合起來，就可以在半導(dǎo)體材料上正確地復(fù)制掩模版上的圖形；2.氧化是在指定區(qū)域生成一層氧化膜；3.擴(kuò)散是對指定區(qū)域定量摻入其它元素原子，改變該區(qū)域的電性能；4.淀積是在指定區(qū)域沉積一層氧化硅、碳化硅、多晶硅等半導(dǎo)體材料薄層；5.離子注入是向指定區(qū)域定量注入雜質(zhì)的原子或粒子，使該區(qū)域的電性能發(fā)生變化。與擴(kuò)散相比，離子注入沒有外溢效應(yīng)，離子注入深度和注入量比較好控制。

在芯片技術(shù)發(fā)展早期，光刻并不是所有技術(shù)中最厲害的。受制于原始簡陋的掩膜版制作和制造工藝，芯片工藝采用毫米級、微米級，因而芯片上集成的晶體管等電路元件的數(shù)量也極其有限。所以，光刻采用人工(或計算機(jī)輔助)刻紅膜、微縮照相制版、傳統(tǒng)光源曝光等簡單方式還是可行的。但是刻蝕、氧化、擴(kuò)散、淀積、離子注入等技術(shù)相關(guān)的設(shè)備、材料、控制等技術(shù)問題反而更難把握，當(dāng)時這些技術(shù)成為芯片制造中最受關(guān)注和大力創(chuàng)新的方向。

三、芯片技術(shù)經(jīng)歷了哪些發(fā)展階段

芯片制造技術(shù)伴隨光刻技術(shù)一路走來，大致經(jīng)歷了非常原始的“石器”時代，走過了用計算機(jī)輔助的半自動化時代，隨后進(jìn)入了EDA全自動化時代。我國芯片技術(shù)與國外大致同時起步，由于眾所周知的原因，我們的發(fā)展階段基本落后于國外約10年的時間。改革開放以來，我們加快了學(xué)習(xí)和趕超的步伐，目前，我國光刻技術(shù)的應(yīng)用水平基本與國外保持同步，但核心技術(shù)和設(shè)備基本依賴于國外。

1.芯片的“石器”時代(國外1958～1975年前后，國內(nèi)1958～1985年前后)。之所以稱為芯片行業(yè)的“石器”時代，是因為芯片設(shè)計工具和制作光刻掩膜版的方法十分原始。這個時期，芯片設(shè)計時用到了普通坐標(biāo)紙，如圖3(a)所示，版圖由手工繪制；制作掩膜版時用到紅膜(Rubylith)，如圖3(b)所示。紅膜是透明基片上附有極薄紅膜，紅膜遮光性強(qiáng)，如果切開紅膜某個圖形的邊界(不切斷基片)，圖形外的紅膜就可以從透明基片上揭掉，圖形外的區(qū)域就變成透明，紅膜保留的地方作為遮光部分,可制成過渡掩膜版。它再經(jīng)過微縮照相制版，最終制成工作掩膜版。

圖3.早期用坐標(biāo)紙畫芯片版圖、人工刻制和檢查過渡掩膜版(紅膜)

當(dāng)時人們設(shè)計芯片時，首先要在坐標(biāo)紙上畫出芯片版圖，版圖上不同的圖層采用不同線條或陰影線來表示，這個過程稱為設(shè)計版圖或者畫版圖。然后，再把坐標(biāo)紙上的版圖按1:1的比例分層復(fù)制到不同張的紅膜上去，然后手工刻掉紅膜上不需要的部分，只保留版圖上的圖形，這個過程稱為刻紅膜。多層紅膜構(gòu)成了芯片的一套過渡掩膜版。

由于過渡掩膜版的尺寸較大，要經(jīng)過多次微縮照相，最后把過渡掩膜版上的圖形縮小并復(fù)制到工作掩膜版上去。工作掩膜版是用非常平整的石英玻璃板上鍍一層鉻膜制造而成。紅膜上的圖形與鉻膜上的圖形完全相同，比例不同。有鉻膜的地方不透光，沒有鉻膜的地方透明。工作掩膜版是制造芯片時在光刻工藝中用到的掩膜版。

在芯片制造的“石器”時代，芯片版圖靠手工繪制，紅膜上的圖案靠人工刻出，不可能設(shè)計和制造出規(guī)模很大的芯片，這種小規(guī)模(SSI)芯片上集成的晶體管數(shù)大約在幾十～幾百只之間。1971年Intel推出全球首個4位中央處理器(CPU)芯片4004。它集成了2250只晶體管，采用10μm工藝，這已經(jīng)是當(dāng)時規(guī)模很大的芯片了。4004芯片內(nèi)部照片如圖4所示。該芯片的掩膜版是否是用人工刻紅膜的方式制作，筆者無法確定。如果是用人工方式刻紅膜，那么它的工作量是十分巨大的，但也是可行的。想想當(dāng)年我國研制兩單一星時，滿屋子的人打算盤計算原子彈爆炸數(shù)據(jù)的情景，這都不算事兒！

圖4. Intel4004處理器芯片的內(nèi)部照片(資料來源：sisite.tw)

2.計算機(jī)輔助的時代(國外1975～1990年前后，國內(nèi)1985～1995年前后)：這個時期人們設(shè)計芯片時，既可以用坐標(biāo)紙畫版圖，也可以在電腦上設(shè)計版圖，坐標(biāo)紙上的版圖要通過數(shù)字化儀(Digitizer)輸入到計算機(jī)中，計算機(jī)中的版圖可以在電腦屏幕上檢查或修改(例如L-EDIT軟件等)，或者進(jìn)行晶體管等電路器件的模擬(例如SPICE軟件等)。最后電腦控制繪圖儀繪制版圖以供檢查或存檔，或者通過刻圖機(jī)刻紅膜，最后經(jīng)過微縮照相，把過渡掩膜版轉(zhuǎn)換成工作掩膜版。

圖5(a)是Tanner Research公司版圖編輯軟件(L-EDIT)的用戶工作界面，版圖中不同的掩膜層用不同的顏色或填充圖案表示。圖5(b)是設(shè)計人員利用L-EDIT在電腦上繪制和檢查芯片版圖的場景。

圖5.利用L-EDIT軟件在電腦上設(shè)計版圖

1974年，Intel推出了8位CPU芯片8080，它采用6μm工藝制造，其上集成了6000多個晶體管。圖6(a)是8080處理器芯片的內(nèi)部照片。圖6(b)是Intel三位創(chuàng)始人與8080CPU的一張掩膜版(紅膜)合影留念。圖6(c)是8080 CPU的封裝外觀圖。

圖6. Intel三位創(chuàng)始人在8080CPU的一張掩膜版(紅膜)后面合影（從左到右是安迪.格羅夫、羅伯特.諾伊斯、戈登.摩爾，資料來源：sisite.tw）

3.設(shè)計自動化時代(國外1990年～今天，國內(nèi)1995年～今天)：這個時期，人們普遍采用電子設(shè)計自動化(EDA)軟件，在電腦上完成芯片邏輯設(shè)計、模擬仿真和版圖設(shè)計等，設(shè)計數(shù)據(jù)送到制造廠，通過自動化設(shè)備完成芯片掩膜版的制作，最后整套掩膜版將用于芯片制造中的各道光刻工序。

這個時期，多家EDA公司通過不斷整合、兼并和重組，大浪淘沙，形成了目前國外EDA軟件廠商的三巨頭，出現(xiàn)了Synopsys、Cadence和MentorGraphics三家獨霸世界EDA軟件市場的局面。他們先后于1990年～1995年進(jìn)入中國市場，加快了中國芯片設(shè)計產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這個時期的芯片制造工藝沿著摩爾定律快速迭代和升級，工藝特征線寬由0.35μm縮小到今天的5nm。這些進(jìn)展的兩大關(guān)鍵支撐條件一是EDA軟件，二是光刻機(jī)。

圖7.自動化生產(chǎn)線上用的光刻掩膜版

圖8.全流程EDA軟件設(shè)計芯片的圖例

現(xiàn)在的芯片設(shè)計過程，從芯片的功能設(shè)計，到電路結(jié)構(gòu)設(shè)計，再到芯片版圖的物理實現(xiàn)，全部借助于EDA軟件來完成，其中還包括復(fù)雜而精確的設(shè)計檢查、模擬仿真等，可以保證容納了上百億只晶體管的芯片設(shè)計萬無一失。

現(xiàn)代光刻技術(shù)中，掩膜版制作實現(xiàn)了由EDA軟件輸出數(shù)據(jù)->掩膜版制作的自動化，光刻過程實現(xiàn)了由光刻機(jī)、刻蝕機(jī)實現(xiàn)的自動化。目前ASML EUV光刻機(jī)已實現(xiàn)了7nm、5nm工藝，正在研制的新一代EUV光刻機(jī)可實現(xiàn)1nm工藝。因此，今天的芯片技術(shù)處在一個全自動化的設(shè)計和制造的時代。

四、摩爾定律使光刻技術(shù)成為王者

在芯片技術(shù)的三個發(fā)展階段中，光刻技術(shù)的原理是簡單明了的，始終保持不變，變化的是光刻線條更細(xì)，光刻精度更高。人們對芯片更小、更快和更好的需求，是推動光刻技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的唯一動力，而發(fā)展規(guī)律則是摩爾定律。

摩爾定律預(yù)示著每兩年不到的時間里，芯片集成度就要翻倍，在保證芯片面積不變的情況下，制造工藝的特征線寬就要減半或縮小。必然要求光刻精度不到兩年時間要提高一倍，對光刻技術(shù)和設(shè)備都提出了嚴(yán)苛的要求。

圖9.芯片制造工藝節(jié)點圖譜(資料來源：m.sohu.com)

從圖9芯片制造工藝節(jié)點圖譜，大致可以看到光刻機(jī)及光刻技術(shù)逐年進(jìn)步的影子，也可以感受到正是摩爾定律把光刻技術(shù)一步一步推到越來越重要的地位。進(jìn)入14nm工藝節(jié)點以后，光刻機(jī)技術(shù)難度陡然上升，ASML EUV光刻機(jī)的售價達(dá)到1.2億美元，光刻機(jī)設(shè)備成本占到所有制造設(shè)備成本的35%，光刻工序占到所有制造工時的40%左右。光刻技術(shù)成為芯片制造中真正的王者，因而成為芯片制造中最容易被“卡脖子”的技術(shù)。

結(jié)語：芯片產(chǎn)業(yè)沿著摩爾定律的規(guī)律一路走來，制造工藝特征線寬跨越當(dāng)前的7nm、5nm、3nm的節(jié)點后，光刻技術(shù)將面臨著物理極限的挑戰(zhàn)，光刻技術(shù)成為了芯片產(chǎn)業(yè)中的技術(shù)王者。由于光刻技術(shù)和設(shè)備主要被外國公司壟斷，光刻成為我國芯片產(chǎn)業(yè)的卡脖子技術(shù)。如何解決這個卡脖子問題，需要國家大力扶持和科技人員的艱苦努力。同時，還必不可少地需要較長時間的技術(shù)積累。

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7.EEWORLD訂閱號，芯片的雕刻刀！投入占比超光刻機(jī)，揭秘走在國產(chǎn)替代前列的刻蝕設(shè)備，搜狐網(wǎng)：https://www.sohu.com/a/384411544_774177，2020.03.31