光刻如何一步一步變成了晶片製造的卡脖子技術?_騰訊新聞

來源：芯論語

摘要：晶片製造用到的技術很多，光刻是晶片製造的靈魂技術，但是開始的時候，光刻並不是所有技術中最厲害的。現在大眾認識到了晶片的重要性，討論晶片產業的卡脖子問題時，提到最多的是光刻和光刻機。那麼，光刻是如何一步一步變成了晶片製造的卡脖子技術？本文試圖一探究竟。

光刻技術是利用光學和化學反應的原理，以及利用化學和物理的刻蝕方法，把電路圖形製作到半導體基片、或者下一層介質材料之上，經過有序的多次光刻工序疊加，最終把立體的電路結構製作在半導體基片上，形成完整功能的晶片。

圖1.光刻工藝過程的示意圖

圖1是光刻工藝過程的示意圖。假設要在矽(Si)基片上光刻一個二氧化矽(SiO2)的T形圖案，大致要經過6個工序。在光刻之前，首先在Si基片上生長一層SiO2層，然後從光刻膠的塗膠開始，經歷塗膠、曝光、顯影、除膠、刻蝕、除膠等步驟。從圖上可以看到，第4步以及之前的過程為下一步刻蝕SiO2層上要去除的區域劃定了範圍。第5步是實際的加工過程——刻蝕，第6步是收尾過程，目的是清除SiO2的T形圖案上不需要的光刻膠。因此說，光刻有兩個階段，一是劃定範圍，二是針對劃定範圍進行實際加工。

上述的光刻工藝過程與傳統照相的曝光和洗相過程很類似，理解起來並不困難。但是照相是一個過渡性的光學和化學反應過程，並且過渡性的層次越多，照片影像就越細膩越好。而光刻是一個突變性的光學和化學反應過程，要求突變儘可能快，圖形邊界越清晰越好。為了追求邊界越清晰、線條越細緻的目標，光刻技術走過了漫長的技術創新之路。

圖2.多次光刻工序「堆疊」形成立體的電路結構

圖2是多次光刻工序「堆疊」形成立體的電路結構的示意圖。圖2(a)是一個電晶體的版圖。版圖按照製造工藝被拆分為至少5層掩膜版，如圖2(b)所示。晶片製造過程中要為每一層掩膜版安排一次光刻工序，經過5次光刻工序後，立體的電晶體就「堆疊」而成了,如圖2(c)所示。

通俗地講，晶片製造就是在半導體基片上，用光刻在一層材料上「雕刻」形成特定圖形，一層一層的光刻實際上是縱向「堆疊」這些圖形，組成立體的電晶體、電路元件和連線等，最終形成具有完整電路功能的晶片。

一、為什麼說光刻技術是靈魂技術？

光刻技術是晶片製造中的靈魂技術，如果沒有它的存在，晶片技術就不可能存在並快速發展。光刻之所以是靈魂技術，因為光刻要為其它晶片加工技術劃定加工範圍，光刻就像槍炮的瞄準裝置一樣重要。其它加工技術不論多麼複雜、多麼高難度，也只有在光刻存在的前提下才能發揮作用。例如，要依賴光刻確定電晶體的多晶矽柵(Poly Gate)和金屬連線(Metal)的圖形、位置和走向等；要依靠光刻為擴散區(Diffusion)、注入阱(Implant Well)、上下層過孔(Via、Contact)打開加工窗口等。所以，沒有光刻技術其它加工技術就無從談起。

從晶片的設計數據傳導到晶片製造的過程來看，傳導路徑非常清晰，那就是晶片設計版圖 -> 掩膜版 -> 光刻 -> 加工。一顆晶片的設計版圖要按照製造工藝分解為一套多張(層)的掩膜版，每張掩膜版對應著一次光刻和加工過程。所以，光刻是晶片製造的靈魂技術。

進入二十一世紀，隨著半導體技術的發展，光刻的精度不斷提高，已由微米級、亞微米級、深亞微米級,細化到目前的納米級，光刻用的光源也從常規光源發展到應用電子束、X射線、微離子束、雷射等新技術，光刻成為最精密的微細加工技術，也是晶片製造最為關鍵的技術。如果光刻的核心設備、材料等被個別國家壟斷和管控的話，光刻技術就成了「卡」其他國家晶片產業「脖子」的關鍵核心技術。

二、晶片製造中還要用到哪些技術？

晶片製造除了用到光刻技術，還有很多其它技術，例如刻蝕、氧化、擴散、澱積、離子注入等。1.刻蝕是用化學或物理方法有選擇地從半導體材料表面去除不需要的材料的過程，光刻和刻蝕結合起來，就可以在半導體材料上正確地複製掩模版上的圖形；2.氧化是在指定區域生成一層氧化膜；3.擴散是對指定區域定量摻入其它元素原子，改變該區域的電性能；4.澱積是在指定區域沉積一層氧化矽、碳化矽、多晶矽等半導體材料薄層；5.離子注入是向指定區域定量注入雜質的原子或粒子，使該區域的電性能發生變化。與擴散相比，離子注入沒有外溢效應，離子注入深度和注入量比較好控制。

在晶片技術發展早期，光刻並不是所有技術中最厲害的。受制於原始簡陋的掩膜版製作和製造工藝，晶片工藝採用毫米級、微米級，因而晶片上集成的電晶體等電路元件的數量也極其有限。所以，光刻採用人工(或計算機輔助)刻紅膜、微縮照相製版、傳統光源曝光等簡單方式還是可行的。但是刻蝕、氧化、擴散、澱積、離子注入等技術相關的設備、材料、控制等技術問題反而更難把握，當時這些技術成為晶片製造中最受關注和大力創新的方向。

三、晶片技術經歷了哪些發展階段

晶片製造技術伴隨光刻技術一路走來，大致經歷了非常原始的「石器」時代，走過了用計算機輔助的半自動化時代，隨後進入了EDA全自動化時代。我國晶片技術與國外大致同時起步，由於眾所周知的原因，我們的發展階段基本落後於國外約10年的時間。改革開放以來，我們加快了學習和趕超的步伐，目前，我國光刻技術的應用水平基本與國外保持同步，但核心技術和設備基本依賴於國外。

1.晶片的「石器」時代(國外1958～1975年前後，國內1958～1985年前後)。之所以稱為晶片行業的「石器」時代，是因為晶片設計工具和製作光刻掩膜版的方法十分原始。這個時期，晶片設計時用到了普通坐標紙，如圖3(a)所示，版圖由手工繪製；製作掩膜版時用到紅膜(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，如果切開紅膜某個圖形的邊界(不切斷基片)，圖形外的紅膜就可以從透明基片上揭掉，圖形外的區域就變成透明，紅膜保留的地方作為遮光部分,可製成過渡掩膜版。它再經過微縮照相製版，最終製成工作掩膜版。

圖3.早期用坐標紙畫晶片版圖、人工刻制和檢查過渡掩膜版(紅膜)

當時人們設計晶片時，首先要在坐標紙上畫出晶片版圖，版圖上不同的圖層採用不同線條或陰影線來表示，這個過程稱為設計版圖或者畫版圖。然後，再把坐標紙上的版圖按1:1的比例分層複製到不同張的紅膜上去，然後手工刻掉紅膜上不需要的部分，只保留版圖上的圖形，這個過程稱為刻紅膜。多層紅膜構成了晶片的一套過渡掩膜版。

由於過渡掩膜版的尺寸較大，要經過多次微縮照相，最後把過渡掩膜版上的圖形縮小並複製到工作掩膜版上去。工作掩膜版是用非常平整的石英玻璃板上鍍一層鉻膜製造而成。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，沒有鉻膜的地方透明。工作掩膜版是製造晶片時在光刻工藝中用到的掩膜版。

在晶片製造的「石器」時代，晶片版圖靠手工繪製，紅膜上的圖案靠人工刻出，不可能設計和製造出規模很大的晶片，這種小規模(SSI)晶片上集成的電晶體數大約在幾十～幾百隻之間。1971年Intel推出全球首個4位中央處理器(CPU)晶片4004。它集成了2250隻電晶體，採用10μm工藝，這已經是當時規模很大的晶片了。4004晶片內部照片如圖4所示。該晶片的掩膜版是否是用人工刻紅膜的方式製作，筆者無法確定。如果是用人工方式刻紅膜，那麼它的工作量是十分巨大的，但也是可行的。想想當年我國研製兩單一星時，滿屋子的人打算盤計算原子彈爆炸數據的情景，這都不算事兒！

圖4.Intel4004處理器晶片的內部照片(資料來源：sisite.tw)

2.計算機輔助的時代(國外1975～1990年前後，國內1985～1995年前後)：這個時期人們設計晶片時，既可以用坐標紙畫版圖，也可以在電腦上設計版圖，坐標紙上的版圖要通過數位化儀(Digitizer)輸入到計算機中，計算機中的版圖可以在電腦屏幕上檢查或修改(例如L-EDIT軟體等)，或者進行電晶體等電路器件的模擬(例如SPICE軟體等)。最後電腦控制繪圖儀繪製版圖以供檢查或存檔，或者通過刻圖機刻紅膜，最後經過微縮照相，把過渡掩膜版轉換成工作掩膜版。

圖5(a)是Tanner Research公司版圖編輯軟體(L-EDIT)的用戶工作界面，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)是設計人員利用L-EDIT在電腦上繪製和檢查晶片版圖的場景。

圖5.利用L-EDIT軟體在電腦上設計版圖

1974年，Intel推出了8位CPU晶片8080，它採用6μm工藝製造，其上集成了6000多個電晶體。圖6(a)是8080處理器晶片的內部照片。圖6(b)是Intel三位創始人與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三位創始人在8080CPU的一張掩膜版(紅膜)後面合影（從左到右是安迪.格羅夫、羅伯特.諾伊斯、戈登.摩爾，資料來源：sisite.tw）

3.設計自動化時代(國外1990年～今天，國內1995年～今天)：這個時期，人們普遍採用電子設計自動化(EDA)軟體，在電腦上完成晶片邏輯設計、模擬仿真和版圖設計等，設計數據送到製造廠，通過自動化設備完成晶片掩膜版的製作，最後整套掩膜版將用於晶片製造中的各道光刻工序。

這個時期，多家EDA公司通過不斷整合、兼併和重組，大浪淘沙，形成了目前國外EDA軟體廠商的三巨頭，出現了Synopsys、Cadence和MentorGraphics三家獨霸世界EDA軟體市場的局面。他們先後於1990年～1995年進入中國市場，加快了中國晶片設計產業的發展。這個時期的晶片製造工藝沿著摩爾定律快速迭代和升級，工藝特徵線寬由0.35μm縮小到今天的5nm。這些進展的兩大關鍵支撐條件一是EDA軟體，二是光刻機。

圖7.自動化生產線上用的光刻掩膜版

圖8.全流程EDA軟體設計晶片的圖例

現在的晶片設計過程，從晶片的功能設計，到電路結構設計，再到晶片版圖的物理實現，全部藉助於EDA軟體來完成，其中還包括複雜而精確的設計檢查、模擬仿真等，可以保證容納了上百億隻電晶體的晶片設計萬無一失。

現代光刻技術中，掩膜版製作實現了由EDA軟體輸出數據->掩膜版製作的自動化，光刻過程實現了由光刻機、刻蝕機實現的自動化。目前ASML EUV光刻機已實現了7nm、5nm工藝，正在研製的新一代EUV光刻機可實現1nm工藝。因此，今天的晶片技術處在一個全自動化的設計和製造的時代。

四、摩爾定律使光刻技術成為王者

在晶片技術的三個發展階段中，光刻技術的原理是簡單明了的，始終保持不變，變化的是光刻線條更細，光刻精度更高。人們對晶片更小、更快和更好的需求，是推動光刻技術創新發展的唯一動力，而發展規律則是摩爾定律。

摩爾定律預示著每兩年不到的時間裡，晶片集成度就要翻倍，在保證晶片面積不變的情況下，製造工藝的特徵線寬就要減半或縮小。必然要求光刻精度不到兩年時間要提高一倍，對光刻技術和設備都提出了嚴苛的要求。

圖9.晶片製造工藝節點圖譜(資料來源：m.sohu.com)

從圖9晶片製造工藝節點圖譜，大致可以看到光刻機及光刻技術逐年進步的影子，也可以感受到正是摩爾定律把光刻技術一步一步推到越來越重要的地位。進入14nm工藝節點以後，光刻機技術難度陡然上升，ASML EUV光刻機的售價達到1.2億美元，光刻機設備成本佔到所有製造設備成本的35%，光刻工序佔到所有製造工時的40%左右。光刻技術成為晶片製造中真正的王者，因而成為晶片製造中最容易被「卡脖子」的技術。

結語：晶片產業沿著摩爾定律的規律一路走來，製造工藝特徵線寬跨越當前的7nm、5nm、3nm的節點後，光刻技術將面臨著物理極限的挑戰，光刻技術成為了晶片產業中的技術王者。由於光刻技術和設備主要被外國公司壟斷，光刻成為我國晶片產業的卡脖子技術。如何解決這個卡脖子問題，需要國家大力扶持和科技人員的艱苦努力。同時，還必不可少地需要較長時間的技術積累。

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