芯片制造过程4光刻机

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链接: 芯片制造详解04：光刻技术与基本流程｜国产之路不容易

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1.光刻原理

通过光掩膜、光刻机、光刻胶进行光刻

1. 光掩膜是芯片的蓝图，是一张刻有集成电路板图的玻璃遮光板
2. 光刻机就像一台纳米级的打印机，发光将光掩膜上的图形投射在硅片上
3. 光刻胶则是能把光影化为现实的一种胶体，有正胶和负胶之分：正胶是一种见光死的材料，只要被特定波长的光照射就会疲软，继而能够被溶解清除；负胶则刚好相反。利用光刻胶的光敏性，我们就能用光来雕刻芯片。

刻蚀步骤：

1. 在黑暗中给硅片涂一层光刻胶，再罩上光掩膜进行曝光，也就是让光线按照光掩膜上设计好的坑位通过，照在光刻胶上，这一部分的胶体就会疲软，随机被溶剂洗掉，而剩余坚挺的光刻胶，就成为了保护膜
2. 接着只要用能腐蚀硅的溶剂，把没有光刻胶保护的坑位区域腐蚀掉一层
3. 最后再把光刻胶保护膜清除，我们就在同一时间里，完成了大量深坑的精确雕刻工作。而这种光刻后对硅片定向做减法的腐蚀，就是刻蚀。

沉积步骤：

1. 通入化学气体，在硅片上均匀生长出一层物质，此时没有被光刻胶保护的部位厚度增加
2. 而长在光刻胶保护膜上的物质，会随着之后胶体的清除而一同清洗，相当于厚度不变。这种定向做加法就是沉积。

刻蚀和沉积都是芯片制程的重要工序，狭义上的光刻，刻的不是硅片，而是硅片上的这一层光刻胶，把刻好的光刻胶作为蓝图，再结合下一步的刻蚀或沉积步骤，才能对硅片进行雕刻加工，另外为了给半导体赋予电特性，我们还要在特定区域做离子注入，为此也得先进行光刻，把不想注入离子的区域用光刻胶贴膜保护，正因为每次刻蚀沉积和离子注入，几乎都需要光刻作为前提，所以在芯片制造的一切工序之中，光刻都是根基，往往占据整套工艺近一半的工时和三分之一的成本。在实际生产中，每做一次光刻至少要经过8个步骤，3次烘焙

2.光刻基本流程

1.清洁及表面处理

硅片清洁与表面预处理，光刻对于清洁度的要求远远超过最先进的手术室。

1. 先湿法清洗，再用去离子水清洗，来去除吸附在硅片表面的污染物、上一道工序的残留物以及溶剂中的金属离子等杂志。
2. 之后通入一种叫六甲基二硅胺烷的气体（HMDS），经过这种气体熏蒸后，硅片表面会被充分脱水，因为表面亲水羟基被置换成了疏水基，这样硅片就能更好地黏附光刻胶，这一步又称增黏处理

2.旋转涂胶

1. 把过滤后的光刻胶滴在硅片中央，让硅片先高速转动把胶体摊开，再以较慢的速度旋转，让胶体厚度稳定。这个速度，大部分光刻胶都会被甩出去浪费掉，只留一层均匀的胶体，相当于给硅片贴了个膜
2. 涂胶机器的转速控制和排风大小都非常讲究，因为光刻胶中一旦产生气泡，会影响后续工艺，造成过度刻蚀之类的问题；其次，光刻胶容易离心力在边缘处累积，这种堆积在边缘甚至流到背面的光刻胶滴会影响硅片在光刻机中的曝光。所以涂胶完成后，还要去边，也就是在硅片边缘喷涂溶剂，去掉边缘处一圈的光刻胶。

3. 前烘

曝光前的烘焙，又称前烘。

机械臂会把硅片拿出，放在烤箱或者热板上进行烘焙，目的是减少光刻胶中的溶剂含量，让其更加浓稠坚固，提高与硅片附着的稳定性。前烘一般只用100℃左右温度烤一分钟，光刻胶是不耐高温的。

4. 对准与曝光

接下来光刻机上场，对硅片进行曝光。

1. 光掩膜、透镜组和硅片工作台会精密对准和调平。
2. 光源放光
3. 移动工件台让硅片有序曝光

以上步骤要花费10亿美元，却包含了许多人类科技巅峰之作。

• 比如透镜表面起伏不超过0.05纳米的蔡司透镜，是地球文明最接近三体水滴的得意之作；
• 比如对准，能同步对准和曝光的双工件台系统，是阿斯麦打败日本光刻机厂商的法宝之一；
• 比如光源，由40kw激光驱动的极紫外光（EUV）是把液态锡轰成等离子体时的光波。

5. 后烘

硅片从光刻机出来后，还要经历一道曝光后的烘焙，简称后烘。这一步的目的是通过加热让光刻胶中的光化学反应充分完成，可以弥补曝光强度不足的问题，同时还能减少光刻胶显影后，因为驻波效应产生的一圈圈纹路。

6.显影冲洗

后烘之后，把之前曝光的部分溶解清除，光掩膜上的图形就复现在了光刻胶上，这就是显影和冲洗。

1. 先用去离子水润湿硅片
2. 把显影液，一般是四甲基氢氧化铵的水溶液均匀喷淋在光刻胶表面，让光刻中被曝光的部分充分溶解
3. 最后用去离子水冲走，假如是45nm以下的制程，因为尺寸太小，溶解残留物的比表面积过大，粘附力强，甩不掉冲不走，所以还要加喷氮气把他们吹走。

7. 坚膜烘焙

显影完成后，如果是湿法制程，还需要再烘焙一次，让保护膜更坚挺，更加顶得住刻蚀，又称坚膜烘焙，以此进一步减少光刻胶中的溶剂含量，防止多余的水分影响之后的湿法刻蚀

假如之后是等离子体刻蚀，也就是俗称的干法，这一步就可以省略。

8. 测量检查

最后用仪器测量光刻胶的膜厚、套刻精度以及光剑尺寸，像7nm、5nm这样制程的线宽缺陷，只能用电子扫描显微镜甚至原子力显微镜观察才行，光刻胶的分辨率必须达标，才能保证以此为蓝图的刻蚀、沉积或等离子体注入能够顺利进行

一张硅片要反复经过上千次这样的操作才能雕刻出数以亿计的电子器件及其对应的电路连接，最终成为我们手机里的一枚芯片。

3.国产替代

整个光刻流程所必须的光刻机、光刻胶、光掩膜的国产替代程度都很低，区别在于是基本依赖进口还是大部分依赖进口。

而涂胶、烘焙、显影轨道式一体机，价格在光刻机的1/20，在国内的芯片厂中，涂胶烘焙显影一体机基本被日本的迪恩士和东京电子所垄断，尤其是东京电子市占率超过90%。目前最先进的EUV制程，光刻机只有ASML能做，光刻胶涂布只有东京电子能做。

国产只有沈阳的芯源微，市占率4%左右，由于技术和精度限制，只能用于28nm以上制程。