【科普】工業(yè)皇冠上的明珠、芯片制造的利器—光刻機

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

晶圓(圖片來源于網(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)過半導(dǎo)體前道制程加工后的晶圓。右側(cè)晶圓上的一個個小矩形切割下來之后，就是我們?nèi)粘Ｋ玫男酒膬?nèi)核：裸片。光刻機在芯片制造過程中所擔(dān)當(dāng)?shù)墓に嚵鞒蹋菍A進(jìn)行極為精密的加工—光刻。

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

一.光刻制程

光刻機并非直接作用于硅晶圓，而需要“光刻膠”作為媒介。光刻膠是一種對光敏感的高粘性液體。中國的高端光刻膠產(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)帶來的離心力使晶圓表面的光刻膠液滴向外擴散、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)過量測合格的，便可以使用光刻機進(jìn)行光刻（曝光）了。

制程的第二步是光刻機曝光。全世界目前有三大光刻機廠商：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）光刻機為例展開介紹。光刻機裝備的核心部件有光源、鏡頭、工作臺，每個部件都結(jié)構(gòu)復(fù)雜、經(jīng)過精心設(shè)計，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（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

在光源部件里，能量強大的激光以每秒數(shù)萬次的頻率轟擊發(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)的錫就會發(fā)出光刻機曝光所需的高能量的極紫外光。

如此大費周章地制造極紫外光，而不使用易得的普通紫外光，是因為光刻機的加工精度直接受制于光源波長，光源的波長越短，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，波長僅為13.5納米，而這樣的光源我國目前仍然無法制造，尚存巨大的技術(shù)鴻溝。

極紫外光在EUV光刻機里的傳輸路徑

上述過程發(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光刻機里，圖案倍率為16。

光罩下方的鏡頭與照相機鏡頭的工作方式類似：復(fù)雜的反射鏡頭組，將極紫外光通過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。光刻機鏡頭的制造也是一項門檻極高的高科技，需要極為精密、長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)研究重點項目，提出獨特創(chuàng)新的超精密研拋方法和策略，密集開展光刻機鏡頭的國產(chǎn)化研發(fā)。

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

光刻機工作臺模組示意圖與實物（右圖來源于網(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，就像以前人們在暗室中沖洗相片一樣，在晶圓表面的光刻膠上形成圖案。

此外，經(jīng)過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)動下，廣東地區(qū)涌現(xiàn)了越來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，深圳的中芯國際、比亞迪、鵬芯微、方正半導(dǎo)體，近期深圳華潤微電子又與深圳政府合資新建一座晶圓廠——潤鵬半導(dǎo)體，坐落于深圳市寶安區(qū)。

針對我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“軟硬/硬軟（設(shè)計較強/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)研機制，直接服務(wù)于國內(nèi)半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)，解國家燃眉之急。研究院下設(shè)光刻機研發(fā)中心、傳感器研發(fā)中心、SiC器件研發(fā)中心、封測研發(fā)組等科研機構(gòu)。各科研方向團隊全部實行PI負(fù)責(zé)制，現(xiàn)已有超20個團隊，在讀碩博研究生近50人，每個團隊均與領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)開展產(chǎn)學(xué)研合作研發(fā)。研究院目前在光刻機核心零部件，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：中國微米納米技術(shù)學(xué)會

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