解析什么是光刻技術(shù)

制造芯片貌似很簡(jiǎn)單，但是考慮到，光實(shí)際上并不是沿直線傳播的，尤其是當(dāng)它被放到納米尺度的時(shí)候，光波動(dòng)性的影響就顯現(xiàn)出來(lái)了。這里提一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，瑞利判據(jù)(有興趣自己百度吧，我不細(xì)說(shuō)了)，總結(jié)來(lái)說(shuō)，就是，想要實(shí)現(xiàn)更小尺度的光刻，那你光源的波長(zhǎng)就必須足夠小，比如目前國(guó)際最先進(jìn)的光刻技術(shù)，使用的就是13.5nm的極紫外光EUV光源，目前世界最先進(jìn)的商用量產(chǎn)制程工藝，使用的就是這一技術(shù)。

光刻技術(shù)原理光刻就是把芯片制作所需要的線路與功能區(qū)做出來(lái)。利用光刻機(jī)發(fā)出的光通過(guò)具有圖形的光罩對(duì)涂有光刻膠的薄片曝光，光刻膠見(jiàn)光后會(huì)發(fā)生性質(zhì)變化，從而使光罩上得圖形復(fù)印到薄片上，從而使薄片具有電子線路圖的作用。這就是光刻的作用，類(lèi)似照相機(jī)照相。照相機(jī)拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電路圖和其他電子元件。

光刻技術(shù)是一種精密的微細(xì)加工技術(shù)。常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長(zhǎng)為2000～4500埃的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗光刻技術(shù)蝕劑為中間（圖像記錄）媒介實(shí)現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質(zhì)層上的一種工藝。在廣義上，光刻包括光復(fù)印和刻蝕工藝兩個(gè)主要方面：

1、光復(fù)印工藝：經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模版上的器件或電路圖形按所要求的位置，精確傳遞到預(yù)涂在晶片表面或介質(zhì)層上的光致抗蝕劑薄層上。

2、刻蝕工藝：利用化學(xué)或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去，從而在晶片表面或介質(zhì)層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反復(fù)進(jìn)行。

例如，大規(guī)模集成電路要經(jīng)過(guò)約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。光刻技術(shù)在狹義上，光刻工藝僅指光復(fù)印工藝。光刻技術(shù)難點(diǎn)雖然光刻技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程超級(jí)復(fù)雜，但總結(jié)其核心就是圍繞三個(gè)定律。

定律一：摩爾定律眾所周知，世界是由0和1組成的，而在芯片中表示0和1的基本元件是晶體管，晶體管越多，芯片的運(yùn)算速度就越快。而摩爾定律表示同樣大小的芯片每隔兩年里面的晶體管的數(shù)量就會(huì)增加一倍，性能也會(huì)增加一倍。這就要求芯片制造越來(lái)越精細(xì)，發(fā)展到現(xiàn)在，兩個(gè)器件之間只能有幾納米的距離。那如何制造出如此精細(xì)的東西呢？通常來(lái)說(shuō)，制造小的東西的核心思想就是放大，比如杠桿類(lèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)。而在納米級(jí)精度上，機(jī)械的方法肯定是行不通的，所以便啟用了光。光通過(guò)投影的方式進(jìn)行放大，而光刻機(jī)的核心就是造一個(gè)放大的透光的模子，把想要的形狀印在模子上，光通過(guò)模子照射到硅片上，便能制造出小尺寸。由于技術(shù)瓶頸，摩爾定律在幾年前已經(jīng)快失效了，而ASML公司用20年時(shí)間打造出的、目前世界最先進(jìn)的技術(shù)EUV再次推動(dòng)了摩爾定律的前進(jìn)。

定律二：瑞利判據(jù)按照光的波長(zhǎng)不同產(chǎn)生了光譜，可見(jiàn)光在400nm-650nm之間的范圍，從紅到紫。瑞利判據(jù)表明一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)能夠分辨的尺寸正比于光的波長(zhǎng)，所以要制造出更小的尺寸，便要求能夠分辨更小的尺寸，光的波長(zhǎng)也要越來(lái)越短。然而，短波長(zhǎng)的光很難造，早年光刻機(jī)用的是汞燈的光，但隨著尺寸要求的越來(lái)越嚴(yán)格，人們?cè)诠庾V上向短波長(zhǎng)方向的研究更加深入，逐步進(jìn)入紫外光的范圍，即所謂的UV（Ultraviolet）。

目前，業(yè)界主要生產(chǎn)主力使用的波長(zhǎng)是193nm,叫做DUV（Deep Ultraviolet）。DUV光源的成熟度很高，甚至可以直接用于醫(yī)療（如近視矯正），但這個(gè)波長(zhǎng)想要加工更精細(xì)的尺寸比較困難，技術(shù)升級(jí)困擾了整個(gè)業(yè)界，直到EUV（Extreme Ultraviolet）技術(shù)的出現(xiàn)。EUV把可用光的波長(zhǎng)縮減到了13.5納米，用兩萬(wàn)多瓦的二氧化碳激光器的激光脈沖來(lái)轟擊金屬錫，以此可以產(chǎn)生波長(zhǎng)更短的光。

實(shí)際上，擊打金屬錫的想法很久之前就已經(jīng)得以驗(yàn)證，但是這樣產(chǎn)生的光的強(qiáng)度一直不夠，直到2015年前后，有科學(xué)家提出若擊打一次不夠，便擊打兩次的方案。第一次的脈沖負(fù)責(zé)把金屬液滴打平，從而擴(kuò)大第二次擊打的面積，第二次的脈沖再把光真正的激發(fā)出來(lái)。這個(gè)難度有多大？金屬液滴只有20微米大，且液滴是從空中掉落下來(lái)的，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中用光擊中它就好比用乒乓球打中蒼蠅，且連續(xù)打中兩次，更關(guān)鍵的是擊打產(chǎn)生的光的持續(xù)時(shí)間很短，所以需要高頻重復(fù)每秒5萬(wàn)次。

定律三：難逃一吸搞定光源只是起點(diǎn)，要走到終點(diǎn)的晶片的路還很長(zhǎng)，這個(gè)過(guò)程需要利用鏡子對(duì)光經(jīng)行調(diào)整過(guò)濾，所以光路布置也是重要一部分。在實(shí)際情況中，光每次反射后都會(huì)損失部分光強(qiáng)，這是因?yàn)镋UV的光容易被吸收。經(jīng)過(guò)一系列反光鏡后，最終只剩下2%的光強(qiáng)了，其他98%都被吸收了，所以需要的光強(qiáng)非常大，也十分耗電。這里的反光鏡是用特殊材料制作而成，只反射13.5納米的光，其他的光將會(huì)被直接吸掉。雖然其直徑只有30厘米，但其表面極其平整。有多平整呢？打個(gè)比方，如果把鏡子放大到地球那么大，上面只能有一根頭發(fā)絲那樣的凸起，并且這個(gè)鏡子有四十層，考慮到誤差會(huì)累積，所以對(duì)每一層的光滑程度都要求十分嚴(yán)格。

來(lái)源：

1.《芯片升級(jí)全靠它——光刻技術(shù)》-芯師爺

2.《超硬核科普 | 光刻機(jī)到底難在哪里？》- SEMI智造