绘制@@精细电路的@@第一步@@
金属@@-氧化物半导体@@场效应晶体管@@（MOSFET）的@@革命@@，让我们可以@@在@@相同面积的@@晶圆上@@同时制造出更多晶体管@@。MOSFET体积越小@@@@，单个@@ MOSFET的@@耗电量就越少@@，还可以@@制造出更多的@@晶体管@@，让其发挥作用@@，可谓是一举多得@@。可见@@，制造更小的@@@@MOSFET成了关键因素@@，并且想制成微细的@@电路@@，第一步就是@@“绘制@@”。
我们以@@饼干烘培做比喻来说明一下@@。假设想在@@面饼上压出数百个@@“幸福之翼@@”形状的@@饼干@@，一个一个做显然是很费力的@@@@，那要采用什么样的@@方法呢@@？
图@@1：在@@面饼上快速压出相同造型饼干的@@方法@@
最好的@@办法就是利用模具@@@@，先把面饼擀平擀宽烘培后@@@@，用饼干模具@@@@@@（印章@@）压出想要的@@形状来@@。这样一来@@，一次压出@@100个饼干也不会太吃力@@。
再想一想@@，如果想把做好的@@饼干卖给@@孩子们@@，就得把饼干做得更小@@，那要怎么办@@@@？当然@@，饼干模具@@@@就要变得更小@@。本篇文章的@@主角就是相当于@@“饼干模具@@@@”的@@“光刻@@机@@”。半导体@@制造与饼干烘培的@@最大区别在@@于@@，MOSFET越小@@，在@@相同面积的@@晶圆上@@，就可以@@制造出越多的@@@@MOSFET，这也就越受客户的@@青睐@@。两个小的@@@@MOSFET远比一个大的@@@@MOSFET更实用@@。
半导体@@的@@@@制造其实就是不断重复上述工艺@@。继续以@@做饼干为例@@@@，如果糕点师想给@@@@“幸福之翼@@”饼干上色@@，要怎么办@@？
图@@2：给@@“幸福之翼@@”饼干上色@@的@@顺序@@
图@@3：如果能成批向数十个饼干喷涂色素@@，速度就会更快@@。
图@@2和@@3揭示了快速做出更多饼干的@@方法@@：先在@@面饼上压出许多造型相同的@@饼干@@，然后@@遮盖不想上色的@@部位@@，再向整个面饼喷涂色素@@。这样就可以@@轻松快速地做出特定造型和@@颜色的@@饼干了@@。说到这里@@，也许善于思考的@@读者就要发问@@：这么多的@@双翼内侧黑色遮盖物@@@@（见图@@@@3），要怎么制作@@？下面我们会说到这一点@@，这其实就是光刻@@工艺@@的@@核心@@。
饼干只有面饼和@@色素@@（红色@@、橘黄色@@）两层@@，但半导体@@结构却复杂得多@@，由数十层堆叠组成@@：包括电子@@@@188足彩外围@@app 层还有层层堆叠的@@金属@@布线层等@@。这也是我们说光刻@@是半导体@@制程关键工艺的@@原因@@。
模具@@的@@制作过程@@：光刻@@工艺@@
半导体@@制造商把上面我们所说的@@制作饼干模具@@@@@@（遮盖物@@）的@@过程叫做光刻@@工艺@@@@。光刻@@工艺@@的@@第一步就是@@涂覆光刻@@胶@@@@@@（Photoresist）。光刻@@胶@@经@@曝光@@后@@@@@@化学性质会发生变化@@。具体而言@@，就是在@@晶圆上涂覆光刻@@胶@@@@后@@@@，用光@@（激光@@）照射晶圆@@，使光刻@@胶@@的@@指定部分的@@性质发生改变@@。
图@@4：光刻@@工艺@@基本步骤@@
如果直接用激光@@照射整个晶圆@@，那么光刻@@胶@@的@@所有部分都会发生质变@@，所以@@@@需要使光源通过特定形状的@@母版@@，再照射到晶圆上@@，这个母版就叫掩模版@@@@（Photomask）。光源通过掩模版@@照射到晶圆上@@，即可将掩模版@@的@@图@@案转印到晶圆上@@。
在@@晶圆上绘制@@图@@形后@@@@，还要经@@显影@@@@（Develop）处理@@，即在@@曝光@@后@@@@，除去曝光@@区光刻@@胶@@化学性质发生变化的@@部分@@，从而制作出所需的@@@@“饼干模具@@@@”。简言之@@，光刻@@工艺@@可以@@概括为使光源通过掩模版@@照射到涂敷光刻@@胶@@的@@晶圆表面@@，以@@将掩模版@@图@@形转印到晶圆上的@@工艺@@。
光刻@@胶@@（Photoresist）
如上所述@@，光刻@@胶@@经@@曝光@@后@@@@@@，其化学性质会发生改变@@。更准确地说@@，经@@曝光@@后@@@@，光刻@@胶@@在@@显影@@液中的@@溶解度发生了变化@@：曝光@@后@@溶解度上升的@@物质称作正性光刻@@胶@@@@@@（正胶@@），反之则为负性光刻@@胶@@@@（负胶@@）。为了更好区分@@，我们可以@@把最直观可见@@的@@物质理解为正胶@@@@。正胶@@经@@显影@@处理@@后@@@@，被曝光@@的@@区域溶于显影@@液@@，在@@后@@续的@@刻蚀@@、沉积等工艺中@@，质变的@@部分会被刻蚀去除掉@@，而没有被曝光@@部分不会受后@@续工艺的@@影响@@。
半导体@@制造商一般会根据工艺的@@目的@@选择合适的@@光刻@@胶@@@@。例如@@，负胶@@经@@曝光@@而固化的@@部分@@，在@@显影@@过程中@@，因吸收部分显影@@液而容易膨胀@@、变形@@，不适合绘制@@精细图@@形@@。因此@@，绘制@@精细图@@形通常采用正胶@@@@。但负胶@@却具有成本低以@@及在@@刻蚀@@（Etching）工艺中抗刻蚀能力更强的@@的@@优点@@。
图@@5：正性光刻@@胶@@@@（正胶@@）与负性光刻@@胶@@@@（负胶@@）
选好光刻@@胶@@后@@@@，就得用涂布机@@（Coater）涂抹光刻@@胶@@@@。通过涂布机的@@高速旋转@@，滴落到晶圆的@@光刻@@胶@@可均匀伸展到整个晶圆表面@@。
光刻@@胶@@涂好后@@@@，应去除沾染在@@晶圆背面或@@边缘的@@多余胶水@@@@，再放入烘箱内加热烘烤@@，使溶剂蒸发@@，为下一道工艺做准备@@@@。
随着时代的@@发展@@，光刻@@胶@@的@@结构也变得越来越复杂@@。我们通常说@@“涂覆光刻@@胶@@@@”，但其实@@，大部分的@@光刻@@胶@@并不是一层@@，而是多层结构@@。 底部抗反射涂层@@（BARC，Bottom Anti-reflective Coatings）就是其中的@@一种@@。随着微细化技术@@的@@进一步升级@@，光刻@@机@@照射的@@光在@@晶圆表面被反射@@，进而影响到图@@形的@@绘制@@@@。为解决这一技术@@问题@@，在@@涂覆光刻@@胶@@@@前@@，可先将抗反射涂层涂覆在@@晶圆表面@@，以@@减少底部光的@@反射@@（因涂覆在@@光刻@@胶@@的@@底部@@，故称为@@Bottom）。此外@@，随着以@@水@@为介质的@@浸没式光刻@@设备@@@@ArF Immersion1问世@@，可以@@抖出水@@分并且不会损伤的@@防水@@涂层@@（顶部抗反射涂层@@，Top Anti-Reflective Coat）便应运而生@@。
在@@此我们要把重点放在@@理解如何克服引进新技术@@后@@的@@新挑战@@。以@@EUV光刻@@机@@2为例@@，高能量的@@极紫外线击中光刻@@胶@@并发生反应后@@会污染掩模版@@@@。为解决这一技术@@难题@@，一方面应深入研究光刻@@胶@@材料@@，另一方面@@要通过引进掩模版@@保护膜@@（Pellicle）解决这一问题@@。
¹ArF浸没式光刻@@机@@@@（ArF immersion） ：以@@水@@取代光刻@@机@@内光的@@介质@@（空气@@），从而进一步改善性能@@
²EUV光刻@@机@@ ：采用极紫外线绘制@@超精细图@@形的@@光刻@@机@@@@
掩模版@@（Photomask）
图@@6：光刻@@机@@运作图@@示@@
涂覆好光刻@@胶@@后@@@@，下一步就是在@@光刻@@胶@@上绘制@@图@@形@@。为此@@，需要一种名为掩模版@@的@@透明版@@。掩模版@@分为光可通过的@@透明区和@@遮光的@@不透明区@@。光源通过掩模版@@把图@@形投射到光刻@@胶@@上@@，从而将掩模图@@形转印到晶体上@@。设计@@掩模图@@形时会考虑光的@@干涉效果@@，因此@@，掩模版@@的@@图@@形与我们实际想绘制@@的@@图@@形会有所不同@@。
掩模版@@的@@图@@形设计@@其实就是半导体@@设计@@@@，这决定了半导体@@的@@@@用途@@。比如@@，用于@@DRAM、NAND闪存等存储器制造的@@掩模版@@@@会有很多肉眼看不到@@、非常有规律的@@重复的@@图@@形@@；而用于@@@@CPU、GPU等逻辑半导体@@@@（Logic Semiconductor）的@@掩模版@@@@，结构则相当复杂@@。
此外@@，半导体@@制造需要多个掩模版@@@@。使用掩模版@@曝光@@后@@@@，在@@随后@@的@@刻蚀@@、沉积和@@氧化工艺@@中再经@@多种处理@@@@，然后@@再重复上述过程@@@@，堆叠半导体@@的@@@@下一层@@。可见@@，所谓@@“设计@@”，其实就是为赋予芯片一定功能@@，不断制作用于@@绘制@@半导体@@各层的@@掩模版@@@@的@@过程@@。
掩模版@@是事先预备@@好的@@@@。因此@@，下一步就是找准曝光@@的@@起始位置@@，即对准@@（Alignment）。在@@之前的@@文章中我们也说过@@，在@@半导体@@制程工序中@@，光刻@@工艺@@可能需要反复数十次@@。半导体@@内细微图@@形的@@间隔仅为数十纳米@@，因此@@，误差@@一旦累积数十次@@，就很可能造成严重不良@@。因此@@，需要在@@曝光@@之前@@，寻找在@@前端工艺已形成的@@对准标志@@（Alignment Mark）。
曝光@@（Exposure）
终于到了曝光@@阶段@@，这是实际投射光源的@@阶段@@。把光@@（激光@@）投射到晶圆一个芯片@@大小的@@狭窄区域@@，待曝光@@一定时间后@@@@，光刻@@机@@将向旁边稍加移动@@，重复上述过程@@。
光刻@@机@@分辨两物点的@@能力叫做@@“物镜的@@分辨能力@@（鉴别率@@）”。物镜分辨能力的@@公式为@@d=λ/(2NA) （λ：入射光的@@波长@@，NA：表示物镜的@@数值孔径@@）。物镜的@@分辨能力@@越高@@，两物点间最小距离@@d越小@@，即两物体仿佛重合为一个物体@@，很难分辨@@。因此@@，掩模版@@绘制@@再精细的@@版图@@也无法转印到实际的@@晶圆表面上@@。
可见@@，降低分辨能力非常重要@@@@。上述公式给@@我们揭示了两种方法@@：一是通过调节入射光的@@波长@@来克服@@。增加激光@@的@@能量可缩短入射光的@@波长@@@@。我们经@@常在@@金博宝娱乐@@@@ 中听到的@@极紫外线@@（EUV，Extreme Ultraviolet Lithography）光刻@@机@@正是通过将深紫外线@@（DUV，Deep Ultraviolet Lithography）光刻@@机@@的@@波长缩短至@@1/14（=提高@@光能@@），实现精细图@@形绘制@@的@@@@；另一方面@@，还可通过提高@@物镜的@@数值孔径@@（NA）来寻找突破口@@。提高@@光源镜头数值孔径@@，或@@使用高折射率的@@介质增加物镜的@@数值孔径@@。高数值孔径极紫外线@@（High NA EUV）光刻@@机@@就是采用了提高@@光源镜头数值孔径@@的@@方法@@，而常用的@@深紫外线光刻@@机@@@@（ArF immersion）则采用了高折射率介质的@@方法@@。
物镜的@@数值孔径其实很难直观去理解@@，<图@@7>揭示了一种相对较通俗的@@理解方法@@。相信读者可以@@从中理解光源镜头变大@@，分辨率就会提高@@@@（变小@@）的@@原理@@。
图@@7：物镜的@@数值孔径与物镜的@@分辨能力@@@@
寻找光刻@@机@@的@@光源可非同小可@@。直到@@21世纪初@@，科研人员们还在@@不断发现更好的@@光源@@。但从找到@@193nm的@@氟化氩@@（ArF）激光@@，到发现@@13.5nm的@@极紫外线作为光源@@，科学家们足足花了@@10多年的@@时间@@。这主要缘于光的@@性质@@，光的@@波长越短@@，越不容易发生折射@@，且容易被材料吸收@@。
此外@@，曝光@@对半导体@@的@@@@生产量也非常重要@@@@。从上述讲解中可以@@看出@@，曝光@@与氧化工艺@@不同@@，无法同时处理@@数十个晶圆@@，即无法打造可以@@一次处理@@直径为@@300mm的@@晶圆的@@均匀光源@@，光刻@@机@@每次只能曝光@@@@1~4个芯片@@。最新版光刻@@机@@每台约@@1000亿韩元以@@上@@，相当昂贵@@，但每小时也只能处理@@@@100张左右的@@晶圆@@。仅投入到曝光@@工艺的@@资金就是氧化工艺@@的@@@@12倍@@。对于极紫外线来说@@，与其说@@“是否能作为光源@@”重要@@，不如说@@“是否能提高@@处理@@量@@，实现商业价值@@”更加重要@@@@。为解决这一问题@@@@，不仅要从光源入手@@，还要从材料方面入手@@，寻找对少量光也能敏感反应的@@光刻@@胶@@材料@@。
曝光@@结束后@@@@，就要检测晶圆的@@套刻@@@@（Overlay）误差@@。套刻@@，是为测量光刻@@机@@的@@对准精度而在@@晶圆上做的@@小标识@@。每次曝光@@时围绕同一个中心@@，以@@不同大小的@@标记套刻@@标识@@，就可测量曝光@@的@@对准程度或@@晶圆是否有所偏离等@@。但套刻@@工艺与对准@@（Alignment）工艺不同@@，不会检测每一个晶圆的@@套刻@@精度@@。
显影@@（Develop）
光刻@@胶@@曝光@@后@@@@，曝光@@区光刻@@胶@@的@@化学性质会发生改变@@。这些变质的@@光刻@@胶@@要用显影@@液溶解后@@去除@@，这一工艺被称作显影@@@@（Develop）。
当然@@，在@@进入显影@@工艺前@@，要把晶圆放入烘箱烘烤@@，这样可以@@进一步促进曝光@@区光刻@@胶@@的@@性质变化@@，这一过程被称作曝光@@后@@烘烤@@（PEB，Post Exposure Bake）。
经@@PEB后@@，在@@晶片涂覆显影@@液@@，去除变质的@@光刻@@胶@@部分@@，必要时还可进行清洗@@（Rinse）。清洗时@@，要根据光刻@@胶@@的@@材料选择合适的@@清洗溶液@@。而清洗设备@@也是种类繁多@@，且往往要在@@处理@@速度和@@良率之间做权衡@@。
经@@上述一系列过程@@，半导体@@的@@@@“饼干模具@@@@”终于制成了@@。最后@@@@，在@@这@@“模具@@”的@@缝隙涂覆所需的@@材料@@，或@@削减不需要的@@部分等@@，经@@一番完善工作后@@在@@表面雕刻晶体管和@@金属@@布线即可@@。
光刻@@机@@的@@发展与纵向思考@@
从上述对光刻@@工艺@@的@@讲解中@@，相信读者已经@@明白以@@死记硬背的@@方式去学习一门技术@@有多么地徒劳@@。在@@193nm的@@氟化氩@@（ArF）激光@@光源遇到瓶颈时@@，科学家们还没有发现@@EUV，但微细化的@@脚步又不能停止@@。所以@@@@，研究人员们就试图@@缩短相同光源的@@波长@@，进而研发出了氟化氩浸没式光刻@@机@@@@@@，从而使半导体@@行业向@@100nm以@@下级别迈出了一步@@。当然@@，这不是仅通过光刻@@工艺@@就可以@@解决的@@@@，还需要前后@@端工艺的@@共同努力@@。
图@@8：为研发@@ArF浸没式光刻@@机@@@@所引进的@@新技术@@@@
使用浸没式光刻@@设备@@@@，就要在@@晶圆上滴落高折射率的@@液体@@（水@@）。问题是半导体@@工艺非常精细@@，小小的@@误差@@也会@@“酿成大错@@”，比如@@，液体的@@不纯物有可能导致半导体@@产品的@@瑕疵@@，或@@光刻@@胶@@被水@@溶解后@@被清洗掉等@@。为攻克这些技术@@难关@@，人们进一步研发了可以@@制成高纯度水@@的@@技术@@以@@及在@@光刻@@胶@@上形成易去除的@@防水@@涂层的@@技术@@@@。在@@光刻@@胶@@上新涂覆了一层防水@@层后@@@@，显影@@工艺当然@@也要相应做出改变@@。
这些改变@@，需要由半导体@@行业持续努力解决@@。最近@@，SK海力士@@与材料公司联手@@，共同研发了干法光刻@@工艺@@流程@@。
我们在@@前一篇@@（氧化工艺@@）中也曾说到@@，干法工艺@@，顾名思义就是没有水@@的@@介入@@。也就是说@@，这是一种与之前完全不同的@@崭新工艺技术@@@@。它像沉积工艺那样在@@光刻@@胶@@表面上形成薄膜@@，在@@显影@@过程中@@也不清洗@@。需研发这些技术@@的@@理由不胜枚举@@，但最重要@@的@@@@，就是微细化水@@平已经@@达到了极致@@，光刻@@机@@绘制@@出的@@精细图@@形@@，在@@涂覆和@@清洗光刻@@胶@@的@@过程中会被破坏@@。
结语@@ ：成功绘制@@不等于结束@@
在@@本篇文章中@@，我们快速浏览了光刻@@工艺@@@@，通过该工艺@@，图@@形的@@绘制@@已经@@完成@@。下一步就需要在@@绘制@@的@@图@@形上添加点什么或@@削减不需要的@@部分@@。虽说光刻@@工艺@@很重要@@@@，但也不能忽视其他工艺@@。因为制作微细模具@@@@（光刻@@工艺@@）和@@利用这个模具@@完成所需的@@操作可是完全不同的@@问题@@。
※ 本文为外部专家对半导体@@@@/ICT的@@见解@@，并不代表@@SK海力士@@的@@立场@@。
文章来源@@：SK海力士@@