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通过光掩膜、光刻机、光刻胶进行光刻
光掩膜是芯片的蓝图#xff0c;是一张刻有集成电路板图的玻璃遮光板光刻机就像一台纳米级的打印机#…以下内容均取自哔哩哔哩up主谈三圈 链接: 芯片制造详解04光刻技术与基本流程国产之路不容易 1.光刻原理
通过光掩膜、光刻机、光刻胶进行光刻
光掩膜是芯片的蓝图是一张刻有集成电路板图的玻璃遮光板光刻机就像一台纳米级的打印机发光将光掩膜上的图形投射在硅片上光刻胶则是能把光影化为现实的一种胶体有正胶和负胶之分正胶是一种见光死的材料只要被特定波长的光照射就会疲软继而能够被溶解清除负胶则刚好相反。利用光刻胶的光敏性我们就能用光来雕刻芯片。
刻蚀步骤
在黑暗中给硅片涂一层光刻胶再罩上光掩膜进行曝光也就是让光线按照光掩膜上设计好的坑位通过照在光刻胶上这一部分的胶体就会疲软随机被溶剂洗掉而剩余坚挺的光刻胶就成为了保护膜接着只要用能腐蚀硅的溶剂把没有光刻胶保护的坑位区域腐蚀掉一层最后再把光刻胶保护膜清除我们就在同一时间里完成了大量深坑的精确雕刻工作。而这种光刻后对硅片定向做减法的腐蚀就是刻蚀。
沉积步骤
通入化学气体在硅片上均匀生长出一层物质此时没有被光刻胶保护的部位厚度增加而长在光刻胶保护膜上的物质会随着之后胶体的清除而一同清洗相当于厚度不变。这种定向做加法就是沉积。
刻蚀和沉积都是芯片制程的重要工序狭义上的光刻刻的不是硅片而是硅片上的这一层光刻胶把刻好的光刻胶作为蓝图再结合下一步的刻蚀或沉积步骤才能对硅片进行雕刻加工另外为了给半导体赋予电特性我们还要在特定区域做离子注入为此也得先进行光刻把不想注入离子的区域用光刻胶贴膜保护正因为每次刻蚀沉积和离子注入几乎都需要光刻作为前提所以在芯片制造的一切工序之中光刻都是根基往往占据整套工艺近一半的工时和三分之一的成本。在实际生产中每做一次光刻至少要经过8个步骤3次烘焙
2.光刻基本流程
1.清洁及表面处理
硅片清洁与表面预处理光刻对于清洁度的要求远远超过最先进的手术室。
先湿法清洗再用去离子水清洗来去除吸附在硅片表面的污染物、上一道工序的残留物以及溶剂中的金属离子等杂志。之后通入一种叫六甲基二硅胺烷的气体HMDS经过这种气体熏蒸后硅片表面会被充分脱水因为表面亲水羟基被置换成了疏水基这样硅片就能更好地黏附光刻胶这一步又称增黏处理
2.旋转涂胶
把过滤后的光刻胶滴在硅片中央让硅片先高速转动把胶体摊开再以较慢的速度旋转让胶体厚度稳定。这个速度大部分光刻胶都会被甩出去浪费掉只留一层均匀的胶体相当于给硅片贴了个膜涂胶机器的转速控制和排风大小都非常讲究因为光刻胶中一旦产生气泡会影响后续工艺造成过度刻蚀之类的问题其次光刻胶容易离心力在边缘处累积这种堆积在边缘甚至流到背面的光刻胶滴会影响硅片在光刻机中的曝光。所以涂胶完成后还要去边也就是在硅片边缘喷涂溶剂去掉边缘处一圈的光刻胶。
3. 前烘
曝光前的烘焙又称前烘。
机械臂会把硅片拿出放在烤箱或者热板上进行烘焙目的是减少光刻胶中的溶剂含量让其更加浓稠坚固提高与硅片附着的稳定性。前烘一般只用100℃左右温度烤一分钟光刻胶是不耐高温的。
4. 对准与曝光
接下来光刻机上场对硅片进行曝光。
光掩膜、透镜组和硅片工作台会精密对准和调平。光源放光移动工件台让硅片有序曝光
以上步骤要花费10亿美元却包含了许多人类科技巅峰之作。
比如透镜表面起伏不超过0.05纳米的蔡司透镜是地球文明最接近三体水滴的得意之作比如对准能同步对准和曝光的双工件台系统是阿斯麦打败日本光刻机厂商的法宝之一比如光源由40kw激光驱动的极紫外光EUV是把液态锡轰成等离子体时的光波。
5. 后烘
硅片从光刻机出来后还要经历一道曝光后的烘焙简称后烘。这一步的目的是通过加热让光刻胶中的光化学反应充分完成可以弥补曝光强度不足的问题同时还能减少光刻胶显影后因为驻波效应产生的一圈圈纹路。
6.显影冲洗
后烘之后把之前曝光的部分溶解清除光掩膜上的图形就复现在了光刻胶上这就是显影和冲洗。
先用去离子水润湿硅片把显影液一般是四甲基氢氧化铵的水溶液均匀喷淋在光刻胶表面让光刻中被曝光的部分充分溶解最后用去离子水冲走假如是45nm以下的制程因为尺寸太小溶解残留物的比表面积过大粘附力强甩不掉冲不走所以还要加喷氮气把他们吹走。
7. 坚膜烘焙
显影完成后如果是湿法制程还需要再烘焙一次让保护膜更坚挺更加顶得住刻蚀又称坚膜烘焙以此进一步减少光刻胶中的溶剂含量防止多余的水分影响之后的湿法刻蚀
假如之后是等离子体刻蚀也就是俗称的干法这一步就可以省略。
8. 测量检查
最后用仪器测量光刻胶的膜厚、套刻精度以及光剑尺寸像7nm、5nm这样制程的线宽缺陷只能用电子扫描显微镜甚至原子力显微镜观察才行光刻胶的分辨率必须达标才能保证以此为蓝图的刻蚀、沉积或等离子体注入能够顺利进行
一张硅片要反复经过上千次这样的操作才能雕刻出数以亿计的电子器件及其对应的电路连接最终成为我们手机里的一枚芯片。
3.国产替代
整个光刻流程所必须的光刻机、光刻胶、光掩膜的国产替代程度都很低区别在于是基本依赖进口还是大部分依赖进口。
而涂胶、烘焙、显影轨道式一体机价格在光刻机的1/20在国内的芯片厂中涂胶烘焙显影一体机基本被日本的迪恩士和东京电子所垄断尤其是东京电子市占率超过90%。目前最先进的EUV制程光刻机只有ASML能做光刻胶涂布只有东京电子能做。
国产只有沈阳的芯源微市占率4%左右由于技术和精度限制只能用于28nm以上制程。
