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(kāi)始的時(shí)候,，光刻并不是所有技術(shù)中最厲害的。現(xiàn)在大眾認(rèn)識(shí)到了芯片的重要性,，討論芯片產(chǎn)業(yè)的卡脖子問(wèn)題時(shí),，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(guò)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(guò)程的示意圖
圖1是光刻工藝過(guò)程的示意圖。假設(shè)要在硅（Si）基片上光刻一個(gè)二氧化硅（SiO2）的T形圖案,，大致要經(jīng)過(guò)6個(gè)工序,。在光刻之前，首先在Si基片上生長(zhǎng)一層SiO2層,，然后從光刻膠的涂膠開(kāi)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(guò)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(shí)際的加工過(guò)程——刻蝕,，第6步是收尾過(guò)程，目的是清除SiO2的T形圖案上不需要的光刻膠,。因此說(shuō),，光刻有兩個(gè)階段，一是劃定范圍,，二是針對(duì)劃定范圍進(jìn)行實(shí)際加工,。
上述的光刻工藝過(guò)程與傳統(tǒng)照相的曝光和洗相過(guò)程很類(lèi)似，理解起來(lái)并不困難,。但是照相是一個(gè)過(guò)渡性的光學(xué)和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,，并且過(guò)渡性的層次越多,，照片影像就越細(xì)膩越好。而光刻是一個(gè)突變性的光學(xué)和化學(xué)反應(yīng)過(guò)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(guò)了漫長(zhǎng)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(gè)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(guò)程中要為每一層掩膜版安排一次光刻工序,，經(jīng)過(guò)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(shí)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(shuō)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(méi)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?yàn)楣饪桃獮槠渌酒庸ぜ夹g(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(lài)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(guò)孔（Via,、Contact）打開(kāi)加工窗口等,。所以，沒(méi)有光刻技術(shù)其它加工技術(shù)就無(wú)從談起,。
從芯片的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳導(dǎo)到芯片制造的過(guò)程來(lái)看,，傳導(dǎo)路徑非常清晰，那就是芯片設(shè)計(jì)版圖 -> 掩膜版 -> 光刻 -> 加工,。一顆芯片的設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)著一次光刻和加工過(guò)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(jí),、亞微米級(jí),、深亞微米級(jí)，細(xì)化到目前的納米級(jí),，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(gè)別國(guó)家壟斷和管控的話，光刻技術(shù)就成了“卡”其他國(guó)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(guò)程,，光刻和刻蝕結(jié)合起來(lái)，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(duì)指定區(qū)域定量摻入其它元素原子,，改變?cè)搮^(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(méi)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(jiǎn)陋的掩膜版制作和制造工藝,，芯片工藝采用毫米級(jí)、微米級(jí),，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(jì)算機(jī)輔助）刻紅膜,、微縮照相制版,、傳統(tǒng)光源曝光等簡(jiǎn)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(wèn)題反而更難把握,，當(dāng)時(shí)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(lái),，大致經(jīng)歷了非常原始的“石器”時(shí)代,，走過(guò)了用計(jì)算機(jī)輔助的半自動(dòng)化時(shí)代，隨后進(jìn)入了EDA全自動(dòng)化時(shí)代,。我國(guó)芯片技術(shù)與國(guó)外大致同時(shí)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(guó)外約10年的時(shí)間,。改革開(kāi)放以來(lái),，我們加快了學(xué)習(xí)和趕超的步伐，目前，我國(guó)光刻技術(shù)的應(yīng)用水平基本與國(guó)外保持同步,，但核心技術(shù)和設(shè)備基本依賴(lài)于國(guó)外,。
芯片的“石器”時(shí)代（國(guó)外1958～1975年前后，國(guó)內(nèi)1958～1985年前后）,。之所以稱(chēng)為芯片行業(yè)的“石器”時(shí)代,，是因?yàn)樾酒O(shè)計(jì)工具和制作光刻掩膜版的方法十分原始。這個(gè)時(shí)期,，芯片設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)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(kāi)紅膜某個(gè)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(guò)渡掩膜版,。它再經(jīng)過(guò)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(huà)芯片版圖,、人工刻制和檢查過(guò)渡掩膜版（紅膜）
當(dāng)時(shí)人們?cè)O(shè)計(jì)芯片時(shí)，首先要在坐標(biāo)紙上畫(huà)出芯片版圖,，版圖上不同的圖層采用不同線條或陰影線來(lái)表示,，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為設(shè)計(jì)版圖或者畫(huà)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(gè)過(guò)程稱(chēng)為刻紅膜,。多層紅膜構(gòu)成了芯片的一套過(guò)渡掩膜版。
由于過(guò)渡掩膜版的尺寸較大,，要經(jīng)過(guò)多次微縮照相,，最后把過(guò)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(méi)有鉻膜的地方透明,。工作掩膜版是制造芯片時(shí)在光刻工藝中用到的掩膜版,。
在芯片制造的“石器”時(shí)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(jì)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(gè)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(shí)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(wú)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(guó)研制兩單一星時(shí)，滿(mǎn)屋子的人打算盤(pán)計(jì)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(lái)源：sisite.tw）
2.計(jì)算機(jī)輔助的時(shí)代（國(guó)外1975～1990年前后，國(guó)內(nèi)1985～1995年前后）：這個(gè)時(shí)期人們?cè)O(shè)計(jì)芯片時(shí),，既可以用坐標(biāo)紙畫(huà)版圖,，也可以在電腦上設(shè)計(jì)版圖，坐標(biāo)紙上的版圖要通過(guò)數(shù)字化儀（Digitizer）輸入到計(jì)算機(jī)中,，計(jì)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(guò)刻圖機(jī)刻紅膜,，最后經(jīng)過(guò)微縮照相，把過(guò)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(hù)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(jì)人員利用L-EDIT在電腦上繪制和檢查芯片版圖的場(chǎng)景,。
圖5.利用L-EDIT軟件在電腦上設(shè)計(jì)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(gè)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(lái)源：sisite.tw）
3.設(shè)計(jì)自動(dòng)化時(shí)代（國(guó)外1990年～今天,，國(guó)內(nèi)1995年～今天）：這個(gè)時(shí)期，人們普遍采用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件,，在電腦上完成芯片邏輯設(shè)計(jì),、模擬仿真和版圖設(shè)計(jì)等，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)送到制造廠,，通過(guò)自動(dòng)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(gè)時(shí)期,，多家EDA公司通過(guò)不斷整合,、兼并和重組，大浪淘沙,，形成了目前國(guó)外EDA軟件廠商的三巨頭,，出現(xiàn)了Synopsys、Cadence和MentorGraphics三家獨(dú)霸世界EDA軟件市場(chǎng)的局面,。他們先后于1990年～1995年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng),，加快了中國(guó)芯片設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這個(gè)時(shí)期的芯片制造工藝沿著摩爾定律快速迭代和升級(jí),，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(dòng)化生產(chǎn)線上用的光刻掩膜版
圖8.全流程EDA軟件設(shè)計(jì)芯片的圖例
現(xiàn)在的芯片設(shè)計(jì)過(guò)程，從芯片的功能設(shè)計(jì),，到電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，再到芯片版圖的物理實(shí)現(xiàn)，全部借助于EDA軟件來(lái)完成,，其中還包括復(fù)雜而精確的設(shè)計(jì)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(jì)萬(wàn)無(wú)一失,。
現(xiàn)代光刻技術(shù)中,，掩膜版制作實(shí)現(xiàn)了由EDA軟件輸出數(shù)據(jù)->掩膜版制作的自動(dòng)化，光刻過(guò)程實(shí)現(xiàn)了由光刻機(jī)、刻蝕機(jī)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化,。目前ASML EUV光刻機(jī)已實(shí)現(xiàn)了7nm,、5nm工藝，正在研制的新一代EUV光刻機(jī)可實(shí)現(xiàn)1nm工藝,。因此,，今天的芯片技術(shù)處在一個(gè)全自動(dòng)化的設(shè)計(jì)和制造的時(shí)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(gè)發(fā)展階段中,，光刻技術(shù)的原理是簡(jiǎn)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(duì)芯片更小,、更快和更好的需求,，是推動(dòng)光刻技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的唯一動(dòng)力，而發(fā)展規(guī)律則是摩爾定律,。
摩爾定律預(yù)示著每?jī)赡瓴坏降臅r(shí)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(shí)間要提高一倍，對(duì)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(diǎn)圖譜（資料來(lái)源：m.sohu.com）
從圖9芯片制造工藝節(jié)點(diǎn)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(lái)越重要的地位,。進(jìn)入14nm工藝節(jié)點(diǎn)以后,，光刻機(jī)技術(shù)難度陡然上升，ASML EUV光刻機(jī)的售價(jià)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(shí)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(yǔ)：芯片產(chǎn)業(yè)沿著摩爾定律的規(guī)律一路走來(lái)，制造工藝特征線寬跨越當(dāng)前的7nm,、5nm,、3nm的節(jié)點(diǎn)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(guó)公司壟斷,，光刻成為我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的卡脖子技術(shù)。如何解決這個(gè)卡脖子問(wèn)題,，需要國(guó)家大力扶持和科技人員的艱苦努力,。同時(shí)，還必不可少地需要較長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)積累,。