01

繪制精細(xì)電路的第一步

金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的革命，讓我們可以在相同面積的晶圓上同時(shí)制造出更多晶體管。MOSFET體積越小，單個(gè) MOSFET的耗電量就越少，還可以制造出更多的晶體管，讓其發(fā)揮作用，可謂是一舉多得。可見(jiàn)，制造更小的MOSFET成了關(guān)鍵因素，并且想制成微細(xì)的電路，第一步就是“繪制”。

我們以餅干烘培做比喻來(lái)說(shuō)明一下。假設(shè)想在面餅上壓出數(shù)百個(gè)“幸福之翼”形狀的餅干，一個(gè)一個(gè)做顯然是很費(fèi)力的，那要采用什么樣的方法呢？

最好的辦法就是利用模具，先把面餅搟平搟寬烘培后，用餅干模具（印章）壓出想要的形狀來(lái)。這樣一來(lái)，一次壓出100個(gè)餅干也不會(huì)太吃力。

再想一想，如果想把做好的餅干賣給孩子們，就得把餅干做得更小，那要怎么辦？當(dāng)然，餅干模具就要變得更小。本篇文章的主角就是相當(dāng)于“餅干模具”的“***”。半導(dǎo)體制造與餅干烘培的最大區(qū)別在于，MOSFET越小，在相同面積的晶圓上，就可以制造出越多的MOSFET，這也就越受客戶的青睞。兩個(gè)小的MOSFET遠(yuǎn)比一個(gè)大的MOSFET更實(shí)用。

半導(dǎo)體的制造其實(shí)就是不斷重復(fù)上述工藝。繼續(xù)以做餅干為例，如果糕點(diǎn)師想給“幸福之翼”餅干上色，要怎么辦？

▲ 圖2: 給“幸福之翼”餅干上色的順序

▲ 圖3: 如果能成批向數(shù)十個(gè)餅干噴涂色素，速度就會(huì)更快。

圖2和3揭示了快速做出更多餅干的方法：先在面餅上壓出許多造型相同的餅干，然后遮蓋不想上色的部位，再向整個(gè)面餅噴涂色素。這樣就可以輕松快速地做出特定造型和顏色的餅干了。說(shuō)到這里，也許善于思考的讀者就要發(fā)問(wèn)：這么多的雙翼內(nèi)側(cè)黑色遮蓋物（見(jiàn)圖3），要怎么制作？下面我們會(huì)說(shuō)到這一點(diǎn)，這其實(shí)就是光刻工藝的核心。

餅干只有面餅和色素（紅色、橘黃色）兩層，但半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)卻復(fù)雜得多，由數(shù)十層堆疊組成：包括電子元件層還有層層堆疊的金屬布線層等。這也是我們說(shuō)光刻是半導(dǎo)體制程關(guān)鍵工藝的原因。

02

模具的制作過(guò)程：光刻工藝

半導(dǎo)體制造商把上面我們所說(shuō)的制作餅干模具（遮蓋物）的過(guò)程叫做光刻工藝。光刻工藝的第一步就是涂覆光刻膠（Photoresist）。光刻膠經(jīng)曝光后化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。具體而言，就是在晶圓上涂覆光刻膠后，用光（激光）照射晶圓，使光刻膠的指定部分的性質(zhì)發(fā)生改變。

▲ 圖4: 光刻工藝基本步驟

如果直接用激光照射整個(gè)晶圓，那么光刻膠的所有部分都會(huì)發(fā)生質(zhì)變，所以需要使光源通過(guò)特定形狀的母版，再照射到晶圓上，這個(gè)母版就叫掩模版（Photomask）。光源通過(guò)掩模版照射到晶圓上，即可將掩模版的圖案轉(zhuǎn)印到晶圓上。

在晶圓上繪制圖形后，還要經(jīng)顯影（Develop）處理，即在曝光后，除去曝光區(qū)光刻膠化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的部分，從而制作出所需的“餅干模具”。簡(jiǎn)言之，光刻工藝可以概括為使光源通過(guò)掩模版照射到涂敷光刻膠的晶圓表面，以將掩模版圖形轉(zhuǎn)印到晶圓上的工藝。

03

光刻膠（Photoresist）

如上所述，光刻膠經(jīng)曝光后，其化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變。更準(zhǔn)確地說(shuō)，經(jīng)曝光后，光刻膠在顯影液中的溶解度發(fā)生了變化：曝光后溶解度上升的物質(zhì)稱作正性光刻膠（正膠），反之則為負(fù)性光刻膠（負(fù)膠）。為了更好區(qū)分，我們可以把最直觀可見(jiàn)的物質(zhì)理解為正膠。正膠經(jīng)顯影處理后，被曝光的區(qū)域溶于顯影液，在后續(xù)的刻蝕、沉積等工藝中，質(zhì)變的部分會(huì)被刻蝕去除掉，而沒(méi)有被曝光部分不會(huì)受后續(xù)工藝的影響。

半導(dǎo)體制造商一般會(huì)根據(jù)工藝的目的選擇合適的光刻膠。例如，負(fù)膠經(jīng)曝光而固化的部分，在顯影過(guò)程中，因吸收部分顯影液而容易膨脹、變形，不適合繪制精細(xì)圖形。因此，繪制精細(xì)圖形通常采用正膠。但負(fù)膠卻具有成本低以及在刻蝕（Etching）工藝中抗刻蝕能力更強(qiáng)的的優(yōu)點(diǎn)。

▲ 圖5: 正性光刻膠（正膠）與負(fù)性光刻膠（負(fù)膠）。

選好光刻膠后，就得用涂布機(jī)（Coater）涂抹光刻膠。通過(guò)涂布機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，滴落到晶圓的光刻膠可均勻伸展到整個(gè)晶圓表面。

光刻膠涂好后，應(yīng)去除沾染在晶圓背面或邊緣的多余膠水，再放入烘箱內(nèi)加熱烘烤，使溶劑蒸發(fā)，為下一道工藝做準(zhǔn)備。

隨著時(shí)代的發(fā)展，光刻膠的結(jié)構(gòu)也變得越來(lái)越復(fù)雜。我們通常說(shuō)“涂覆光刻膠”，但其實(shí)，大部分的光刻膠并不是一層，而是多層結(jié)構(gòu)。底部抗反射涂層（BARC，Bottom Anti-reflective Coatings）就是其中的一種。隨著微細(xì)化技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)，***照射的光在晶圓表面被反射，進(jìn)而影響到圖形的繪制。為解決這一技術(shù)問(wèn)題，在涂覆光刻膠前，可先將抗反射涂層涂覆在晶圓表面，以減少底部光的反射（因涂覆在光刻膠的底部，故稱為Bottom）。此外，隨著以水為介質(zhì)的浸沒(méi)式光刻設(shè)備ArF Immersion1問(wèn)世，可以抖出水分并且不會(huì)損傷的防水涂層（頂部抗反射涂層，Top Anti-Reflective Coat）便應(yīng)運(yùn)而生。

在此我們要把重點(diǎn)放在理解如何克服引進(jìn)新技術(shù)后的新挑戰(zhàn)。以EUV***2為例，高能量的極紫外線擊中光刻膠并發(fā)生反應(yīng)后會(huì)污染掩模版。為解決這一技術(shù)難題，一方面應(yīng)深入研究光刻膠材料，另一方面要通過(guò)引進(jìn)掩模版保護(hù)膜（Pellicle）解決這一問(wèn)題。

1ArF浸沒(méi)式***（ArF immersion）：以水取代***內(nèi)光的介質(zhì)（空氣），從而進(jìn)一步改善性能
2EUV***：采用極紫外線繪制超精細(xì)圖形的***

04

掩模版（Photomask）

▲ 圖6: ***運(yùn)作圖示

涂覆好光刻膠后，下一步就是在光刻膠上繪制圖形。為此，需要一種名為掩模版的透明版。掩模版分為光可通過(guò)的透明區(qū)和遮光的不透明區(qū)。光源通過(guò)掩模版把圖形投射到光刻膠上，從而將掩模圖形轉(zhuǎn)印到晶體上。設(shè)計(jì)掩模圖形時(shí)會(huì)考慮光的干涉效果，因此，掩模版的圖形與我們實(shí)際想繪制的圖形會(huì)有所不同。

掩模版的圖形設(shè)計(jì)其實(shí)就是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)，這決定了半導(dǎo)體的用途。比如，用于DRAM、NAND閃存等存儲(chǔ)器制造的掩模版會(huì)有很多肉眼看不到、非常有規(guī)律的重復(fù)的圖形；而用于CPU、GPU等邏輯半導(dǎo)體（Logic Semiconductor）的掩模版，結(jié)構(gòu)則相當(dāng)復(fù)雜。

此外，半導(dǎo)體制造需要多個(gè)掩模版。使用掩模版曝光后，在隨后的刻蝕、沉積和氧化工藝中再經(jīng)多種處理，然后再重復(fù)上述過(guò)程，堆疊半導(dǎo)體的下一層。可見(jiàn)，所謂“設(shè)計(jì)”，其實(shí)就是為賦予芯片一定功能，不斷制作用于繪制半導(dǎo)體各層的掩模版的過(guò)程。

掩模版是事先預(yù)備好的。因此，下一步就是找準(zhǔn)曝光的起始位置，即對(duì)準(zhǔn)（Alignment）。在之前的文章中我們也說(shuō)過(guò)，在半導(dǎo)體制程工序中，光刻工藝可能需要反復(fù)數(shù)十次。半導(dǎo)體內(nèi)細(xì)微圖形的間隔僅為數(shù)十納米，因此，誤差一旦累積數(shù)十次，就很可能造成嚴(yán)重不良。因此，需要在曝光之前，尋找在前端工藝已形成的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志（Alignment Mark）。

05

曝光（Exposure）

終于到了曝光階段，這是實(shí)際投射光源的階段。把光（激光）投射到晶圓一個(gè)芯片大小的狹窄區(qū)域，待曝光一定時(shí)間后，***將向旁邊稍加移動(dòng)，重復(fù)上述過(guò)程。

***分辨兩物點(diǎn)的能力叫做“物鏡的分辨能力（鑒別率）”。物鏡分辨能力的公式為d=λ/(2NA) （λ：入射光的波長(zhǎng)，NA：表示物鏡的數(shù)值孔徑）。物鏡的分辨能力越高，兩物點(diǎn)間最小距離d越小，即兩物體仿佛重合為一個(gè)物體，很難分辨。因此，掩模版繪制再精細(xì)的版圖也無(wú)法轉(zhuǎn)印到實(shí)際的晶圓表面上。

可見(jiàn)，降低分辨能力非常重要。上述公式給我們揭示了兩種方法：一是通過(guò)調(diào)節(jié)入射光的波長(zhǎng)來(lái)克服。增加激光的能量可縮短入射光的波長(zhǎng)。我們經(jīng)常在新聞中聽(tīng)到的極紫外線（EUV，Extreme Ultraviolet Lithography）***正是通過(guò)將深紫外線（DUV，Deep Ultraviolet Lithography）***的波長(zhǎng)縮短至1/14（=提高光能），實(shí)現(xiàn)精細(xì)圖形繪制的；另一方面，還可通過(guò)提高物鏡的數(shù)值孔徑（NA）來(lái)尋找突破口。提高光源鏡頭數(shù)值孔徑，或使用高折射率的介質(zhì)增加物鏡的數(shù)值孔徑。高數(shù)值孔徑極紫外線（High NA EUV）***就是采用了提高光源鏡頭數(shù)值孔徑的方法，而常用的深紫外線***（ArF immersion）則采用了高折射率介質(zhì)的方法。

物鏡的數(shù)值孔徑其實(shí)很難直觀去理解，<圖7>揭示了一種相對(duì)較通俗的理解方法。相信讀者可以從中理解光源鏡頭變大，分辨率就會(huì)提高（變小）的原理。

▲ 圖7: 物鏡的數(shù)值孔徑與物鏡的分辨能力

尋找***的光源可非同小可。直到21世紀(jì)初，科研人員們還在不斷發(fā)現(xiàn)更好的光源。但從找到193nm的氟化氬（ArF）激光，到發(fā)現(xiàn)13.5nm的極紫外線作為光源，科學(xué)家們足足花了10多年的時(shí)間。這主要緣于光的性質(zhì)，光的波長(zhǎng)越短，越不容易發(fā)生折射，且容易被材料吸收。

此外，曝光對(duì)半導(dǎo)體的生產(chǎn)量也非常重要。從上述講解中可以看出，曝光與氧化工藝不同，無(wú)法同時(shí)處理數(shù)十個(gè)晶圓，即無(wú)法打造可以一次處理直徑為300mm的晶圓的均勻光源，***每次只能曝光1~4個(gè)芯片。最新版***每臺(tái)約1000億韓元以上，相當(dāng)昂貴，但每小時(shí)也只能處理100張左右的晶圓。僅投入到曝光工藝的資金就是氧化工藝的12倍*。對(duì)于極紫外線來(lái)說(shuō)，與其說(shuō)“是否能作為光源”重要，不如說(shuō)“是否能提高處理量，實(shí)現(xiàn)商業(yè)價(jià)值”更加重要。為解決這一問(wèn)題，不僅要從光源入手，還要從材料方面入手，尋找對(duì)少量光也能敏感反應(yīng)的光刻膠材料。

曝光結(jié)束后，就要檢測(cè)晶圓的套刻（Overlay）誤差。套刻，是為測(cè)量***的對(duì)準(zhǔn)精度而在晶圓上做的小標(biāo)識(shí)。每次曝光時(shí)圍繞同一個(gè)中心，以不同大小的標(biāo)記套刻標(biāo)識(shí)，就可測(cè)量曝光的對(duì)準(zhǔn)程度或晶圓是否有所偏離等。但套刻工藝與對(duì)準(zhǔn)（Alignment）工藝不同，不會(huì)檢測(cè)每一個(gè)晶圓的套刻精度。

06

顯影（Develop）

光刻膠曝光后，曝光區(qū)光刻膠的化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變。這些變質(zhì)的光刻膠要用顯影液溶解后去除，這一工藝被稱作顯影（Develop）。

當(dāng)然，在進(jìn)入顯影工藝前，要把晶圓放入烘箱烘烤，這樣可以進(jìn)一步促進(jìn)曝光區(qū)光刻膠的性質(zhì)變化，這一過(guò)程被稱作曝光后烘烤（PEB，Post Exposure Bake）。

經(jīng)PEB后，在晶片涂覆顯影液，去除變質(zhì)的光刻膠部分，必要時(shí)還可進(jìn)行清洗（Rinse）。清洗時(shí)，要根據(jù)光刻膠的材料選擇合適的清洗溶液。而清洗設(shè)備也是種類繁多，且往往要在處理速度和良率之間做權(quán)衡。

經(jīng)上述一系列過(guò)程，半導(dǎo)體的“餅干模具”終于制成了。最后，在這“模具”的縫隙涂覆所需的材料，或削減不需要的部分等，經(jīng)一番完善工作后在表面雕刻晶體管和金屬布線即可。

07

***的發(fā)展與縱向思考

從上述對(duì)光刻工藝的講解中，相信讀者已經(jīng)明白以死記硬背的方式去學(xué)習(xí)一門技術(shù)有多么地徒勞。在193nm的氟化氬（ArF）激光光源遇到瓶頸時(shí)，科學(xué)家們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)EUV，但微細(xì)化的腳步又不能停止。所以，研究人員們就試圖縮短相同光源的波長(zhǎng)，進(jìn)而研發(fā)出了氟化氬浸沒(méi)式***，從而使半導(dǎo)體行業(yè)向100nm以下級(jí)別邁出了一步。當(dāng)然，這不是僅通過(guò)光刻工藝就可以解決的，還需要前后端工藝的共同努力。

▲圖8: 為研發(fā)ArF浸沒(méi)式***所引進(jìn)的新技術(shù)

使用浸沒(méi)式光刻設(shè)備，就要在晶圓上滴落高折射率的液體（水）。問(wèn)題是半導(dǎo)體工藝非常精細(xì)，小小的誤差也會(huì)“釀成大錯(cuò)”，比如，液體的不純物有可能導(dǎo)致半導(dǎo)體產(chǎn)品的瑕疵，或光刻膠被水溶解后被清洗掉等。為攻克這些技術(shù)難關(guān)，人們進(jìn)一步研發(fā)了可以制成高純度水的技術(shù)以及在光刻膠上形成易去除的防水涂層的技術(shù)。在光刻膠上新涂覆了一層防水層后，顯影工藝當(dāng)然也要相應(yīng)做出改變。

這些改變，需要由半導(dǎo)體行業(yè)持續(xù)努力解決。最近，SK海力士與材料公司聯(lián)手，共同研發(fā)了干法光刻工藝流程*。

我們?cè)谇耙黄ㄑ趸に嚕┲幸苍f(shuō)到，干法工藝，顧名思義就是沒(méi)有水的介入。也就是說(shuō)，這是一種與之前完全不同的嶄新工藝技術(shù)。它像沉積工藝那樣在光刻膠表面上形成薄膜，在顯影過(guò)程中也不清洗。需研發(fā)這些技術(shù)的理由不勝枚舉，但最重要的，就是微細(xì)化水平已經(jīng)達(dá)到了極致，***繪制出的精細(xì)圖形，在涂覆和清洗光刻膠的過(guò)程中會(huì)被破壞。

08

結(jié)語(yǔ) ：成功繪制不等于結(jié)束

在本篇文章中，我們快速瀏覽了光刻工藝，通過(guò)該工藝，圖形的繪制已經(jīng)完成。下一步就需要在繪制的圖形上添加點(diǎn)什么或削減不需要的部分。雖說(shuō)光刻工藝很重要，但也不能忽視其他工藝。因?yàn)橹谱魑⒓?xì)模具（光刻工藝）和利用這個(gè)模具完成所需的操作可是完全不同的問(wèn)題。

EUV***