制造芯片貌似很简单,但是考虑到,光实际上并不是沿直线传播的,尤其是当它被放到纳米尺度的时候,光波动性的影响就显现出来了。这里提一个知识点,瑞利判据(有兴趣自己百度吧,我不细说了),总结来说,就是,想要实现更小尺度的光刻,那你光源的波长就必须足够小,比如目前国际最先进的光刻技术,使用的就是13.5nm的极紫外光EUV光源,目前世界最先进的商用量产制程工艺,使用的就是这一技术。

 

光刻技术原理光刻就是把芯片制作所需要的线路与功能区做出来。利用光刻机发出的光通过具有图形的光罩对涂有光刻胶的薄片曝光,光刻胶见光后会发生性质变化,从而使光罩上得图形复印到薄片上,从而使薄片具有电子线路图的作用。这就是光刻的作用,类似照相机照相。照相机拍摄的照片是印在底片上,而光刻刻的不是照片,而是电路图和其他电子元件。

 

 

光刻技术是一种精密的微细加工技术。常规光刻技术是采用波长为2000~4500埃的紫外光作为图像信息载体,以光致抗光刻技术蚀剂为中间(图像记录)媒介实现图形的变换、转移和处理,最终把图像信息传递到晶片(主要指硅片)或介质层上的一种工艺。在广义上,光刻包括光复印和刻蚀工艺两个主要方面:

 

1、光复印工艺:经曝光系统将预制在掩模版上的器件或电路图形按所要求的位置,精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层上。

 

2、刻蚀工艺:利用化学或物理方法,将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去,从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。集成电路各功能层是立体重叠的,因而光刻工艺总是多次反复进行。

 

例如,大规模集成电路要经过约10次光刻才能完成各层图形的全部传递。光刻技术在狭义上,光刻工艺仅指光复印工艺。光刻技术难点虽然光刻技术的演进过程超级复杂,但总结其核心就是围绕三个定律。

 

定律一:摩尔定律众所周知,世界是由0和1组成的,而在芯片中表示0和1的基本元件是晶体管,晶体管越多,芯片的运算速度就越快。而摩尔定律表示同样大小的芯片每隔两年里面的晶体管的数量就会增加一倍,性能也会增加一倍。这就要求芯片制造越来越精细,发展到现在,两个器件之间只能有几纳米的距离。那如何制造出如此精细的东西呢?通常来说,制造小的东西的核心思想就是放大,比如杠杆类机械结构。而在纳米级精度上,机械的方法肯定是行不通的,所以便启用了光。光通过投影的方式进行放大,而光刻机的核心就是造一个放大的透光的模子,把想要的形状印在模子上,光通过模子照射到硅片上,便能制造出小尺寸。由于技术瓶颈,摩尔定律在几年前已经快失效了,而ASML公司用20年时间打造出的、目前世界最先进的技术EUV再次推动了摩尔定律的前进。

 

定律二:瑞利判据按照光的波长不同产生了光谱,可见光在400nm-650nm之间的范围,从红到紫。瑞利判据表明一个光学系统能够分辨的尺寸正比于光的波长,所以要制造出更小的尺寸,便要求能够分辨更小的尺寸,光的波长也要越来越短。然而,短波长的光很难造,早年光刻机用的是汞灯的光,但随着尺寸要求的越来越严格,人们在光谱上向短波长方向的研究更加深入,逐步进入紫外光的范围,即所谓的UV(Ultraviolet)。

 

目前,业界主要生产主力使用的波长是193nm,叫做DUV(Deep Ultraviolet)。DUV光源的成熟度很高,甚至可以直接用于医疗(如近视矫正),但这个波长想要加工更精细的尺寸比较困难,技术升级困扰了整个业界,直到EUV(Extreme Ultraviolet)技术的出现。EUV把可用光的波长缩减到了13.5纳米,用两万多瓦的二氧化碳激光器的激光脉冲来轰击金属锡,以此可以产生波长更短的光。

 

实际上,击打金属锡的想法很久之前就已经得以验证,但是这样产生的光的强度一直不够,直到2015年前后,有科学家提出若击打一次不够,便击打两次的方案。第一次的脉冲负责把金属液滴打平,从而扩大第二次击打的面积,第二次的脉冲再把光真正的激发出来。这个难度有多大?金属液滴只有20微米大,且液滴是从空中掉落下来的,在运动过程中用光击中它就好比用乒乓球打中苍蝇,且连续打中两次,更关键的是击打产生的光的持续时间很短,所以需要高频重复每秒5万次。

 

定律三:难逃一吸搞定光源只是起点,要走到终点的晶片的路还很长,这个过程需要利用镜子对光经行调整过滤,所以光路布置也是重要一部分。在实际情况中,光每次反射后都会损失部分光强,这是因为EUV的光容易被吸收。经过一系列反光镜后,最终只剩下2%的光强了,其他98%都被吸收了,所以需要的光强非常大,也十分耗电。这里的反光镜是用特殊材料制作而成,只反射13.5纳米的光,其他的光将会被直接吸掉。虽然其直径只有30厘米,但其表面极其平整。有多平整呢?打个比方,如果把镜子放大到地球那么大,上面只能有一根头发丝那样的凸起,并且这个镜子有四十层,考虑到误差会累积,所以对每一层的光滑程度都要求十分严格。

 

来源:

1.《芯片升级全靠它——光刻技术》-芯师爷

2.《超硬核科普 | 光刻机到底难在哪里?》- SEMI智造