光刻膠和掩膜版，純國(guó)產(chǎn)芯片生產(chǎn)需要克服的兩個(gè)重要障礙

無(wú)法制造純國(guó)產(chǎn)的高端芯片，是國(guó)人心中隱隱的痛！目前來(lái)說(shuō)，阻礙國(guó)產(chǎn)高端芯片的最大瓶頸就是極紫外光刻機(jī)。但是，即使有了極紫外光刻機(jī)，也需要光刻膠和掩膜版來(lái)進(jìn)行配套才行。

一、光刻機(jī)不是直接刻蝕芯片

正如上一個(gè)關(guān)于光刻機(jī)的視頻所說(shuō)，芯片生產(chǎn)用的光刻機(jī)，只是起到曝光的作用，并不進(jìn)行刻蝕。要想用光刻機(jī)進(jìn)行直接刻蝕，必然面臨以下幾個(gè)難題。

首先，要把激光功率做到足夠大，需要把硅或一些金屬氧化物直接氣化剝離。目前來(lái)說(shuō)，波長(zhǎng)越短的激光光源制造越困難，實(shí)現(xiàn)大功率越難，現(xiàn)有的紫外、極紫外光源難以產(chǎn)生足夠強(qiáng)的激光。尤其是極紫外光源，現(xiàn)在能做到讓光刻膠瞬時(shí)曝光就已經(jīng)很不容易了。

其次，激光直接刻蝕，要求把熔點(diǎn)非常高的硅、金屬氧化物等物質(zhì)直接氣化，必然會(huì)產(chǎn)生非常高的溫度，甚至可能得達(dá)到幾千攝氏度，這個(gè)溫度條件想雕刻幾納米的細(xì)線，而不對(duì)周邊材料產(chǎn)生任何影響，不產(chǎn)生圖像變形，是不太可能的。同時(shí)，激光直接蝕刻，必然要求足夠長(zhǎng)的燒蝕時(shí)間，以達(dá)到刻蝕工藝要求，這就會(huì)大大降低生產(chǎn)效率。

此外，直接蝕刻所要求的激光強(qiáng)度這么高，光刻機(jī)里的透鏡、反光鏡等光學(xué)器件能否保證不被燒毀都是畫(huà)著問(wèn)號(hào)的。激光傳播的精度更是難以保障。

最后，激光直接蝕刻，必然產(chǎn)生很多碎屑，這些碎屑一定會(huì)影響光刻機(jī)的工作效果，最終影響芯片的制作質(zhì)量。

基于以上分析，直接蝕刻的光刻機(jī)并不是芯片制造領(lǐng)域追求的方向?，F(xiàn)有的光刻機(jī)，都是先通過(guò)激光讓光刻膠曝光顯影，再利用專門(mén)的化學(xué)蝕刻工藝進(jìn)行后續(xù)的蝕刻。而光刻膠在這樣的光刻機(jī)上就是不能缺少的耗材。對(duì)于芯片制造來(lái)說(shuō)，光刻膠的性能直接影響著芯片電路的可靠性。有很多因素需要考慮，說(shuō)光刻膠是芯片制造領(lǐng)域最難生產(chǎn)的耗材一點(diǎn)都不為過(guò)。

二、光刻膠是光刻機(jī)最復(fù)雜的耗材

1. 光刻膠有點(diǎn)像膠卷

光刻膠有點(diǎn)像以前用的膠卷，但也有一些不一樣的地方。首先，光刻膠并不是加工好的膠片成品，而是一種液體，需要均勻涂抹到晶圓上，然后再烘干固化粘到晶圓上。其次，光刻膠需要一定強(qiáng)度的紫外光或極紫外光才能曝光，放到太陽(yáng)光下是不會(huì)曝光的。而且，不同光源的光刻機(jī)需要的光刻膠也是不一樣的，所以每換一種光源，一般都得研發(fā)一種新的光刻膠。再次，光刻膠的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通膠卷，膠卷一般只能顯示肉眼可見(jiàn)的圖案，而光刻膠的圖案是顯微鏡都難以看清楚的。最后，膠卷顯影后，膠卷本身是完整的，而光刻膠顯影后，圖案部分的膠已經(jīng)被溶解掉了，會(huì)露出下面的晶圓來(lái)。

經(jīng)過(guò)曝光后的光刻膠，會(huì)分成兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)區(qū)域是可以用特殊溶劑溶解的。通俗來(lái)說(shuō)就是有一種特殊藥水，可以把被光照過(guò)的膠片或者是沒(méi)被光照射的膠片給溶解掉。把可溶解部分溶解掉的過(guò)程就是顯影。另一個(gè)區(qū)域不僅不易溶解而且還是防蝕刻的，所以光刻膠也叫光致抗蝕劑。因?yàn)樗牢g刻，蝕刻機(jī)只能蝕刻沒(méi)有被光刻膠覆蓋的部分，也就可以在晶圓上蝕刻出想要的圖案來(lái)了。根據(jù)可溶解性的不同，可以把光刻膠分為兩類，一類叫正膠，曝光區(qū)域的膠可以溶解，形成的圖案跟掩膜版一樣；還有一類叫負(fù)膠，曝光區(qū)域不可溶，非曝光區(qū)域可溶，形成的圖案跟掩膜版相反。

1. 光刻膠的主要性能指標(biāo)

光刻膠有分辨率、靈敏度、耐蝕刻性、線邊緣粗糙度、儲(chǔ)存穩(wěn)定性等主要的性能指標(biāo)。

其中分辨率和線邊緣粗糙度是直接影響芯片加工質(zhì)量的兩個(gè)重要參數(shù)。分辨率越高，越適合制作高端芯片，顯然極紫外光刻機(jī)需要的光刻膠對(duì)分辨率的要求是最高的。目前臺(tái)積電利用極紫外光刻機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了7nm芯片和5nm芯片的制作，未來(lái)還要實(shí)現(xiàn)3nm甚至更小。對(duì)光刻膠的要求越來(lái)越高。目前國(guó)內(nèi)的極紫外光刻膠還在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，雖然取得了不少成果，但都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。最好的光刻膠主要都是日本公司生產(chǎn)的。國(guó)內(nèi)，能夠量產(chǎn)的光刻膠都是分辨率比較低的，近期分辨率最高的國(guó)產(chǎn)光刻膠將達(dá)到28nm，但預(yù)計(jì)2020年底或2021年初才能量產(chǎn)。

線邊緣粗糙度，就是說(shuō)光刻機(jī)曝光后的圖案可能會(huì)有毛邊。打個(gè)簡(jiǎn)單的比方，就是用鋼筆寫(xiě)字的時(shí)候，由于紙張質(zhì)量問(wèn)題可能會(huì)洇紙顯出毛邊來(lái)。光刻膠也是一樣，并不是光照在哪里就在哪里顯示圖案?，F(xiàn)在的光刻膠都是需要化學(xué)反應(yīng)對(duì)光線作用進(jìn)行放大的，一般是通過(guò)光照使一些物質(zhì)變成酸，然后酸再降解光刻膠的主要成分，使它們變成小分子，這些小分子很容易被洗掉從而顯示出圖案來(lái)。這里面的化學(xué)反應(yīng)，很容易發(fā)生擴(kuò)散，也就是產(chǎn)生毛邊。所以光刻膠研發(fā)人員一個(gè)重要的攻關(guān)方向就是減少毛邊的產(chǎn)生。各位聰明的觀眾，您知不知道用什么樣的辦法可以在納米尺度上減少毛邊的產(chǎn)生呢？請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論區(qū)留言討論！

靈敏度，就是光刻膠對(duì)弱光的反應(yīng)程度。前面提到，紫外、極紫外的光源一般強(qiáng)度都不太高，光刻膠能不能在不太強(qiáng)的光線照射下，形成清晰的圖案，是個(gè)很關(guān)鍵的指標(biāo)。剛剛提到的化學(xué)放大作用，其實(shí)也是為了提高光刻膠的靈敏度而研發(fā)的。

耐蝕刻性，也是考察光刻膠的重要指標(biāo)。在光刻膠上顯示圖案，并不是光刻的最終目標(biāo)，最終目標(biāo)是把圖案轉(zhuǎn)刻到芯片材料上，光刻膠最終是要扔掉的。要想把圖案高效保真地轉(zhuǎn)移到芯片上，除了對(duì)時(shí)刻設(shè)備、蝕刻試劑和蝕刻工藝提出高要求以外，還對(duì)光刻膠的耐蝕刻性提出了很高的要求。如果光刻膠不耐蝕刻，它背后不需要蝕刻的芯片部位也就無(wú)法得到有效保護(hù)了，刻出來(lái)的芯片自然也就不合格了。

儲(chǔ)存穩(wěn)定性，簡(jiǎn)單說(shuō)就是光刻膠好不好保存，能保存多長(zhǎng)時(shí)間。顯然越容易保存，保存的時(shí)間越長(zhǎng)越好。

光刻膠的生產(chǎn)，不僅涉及到成分和工藝的問(wèn)題，還涉及到專利保護(hù)的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)公司即使知道光刻膠的配方和生產(chǎn)工藝，也不能隨便生產(chǎn)，因?yàn)闀?huì)侵犯人家的專利。國(guó)內(nèi)科研單位已經(jīng)研發(fā)了很多光刻膠，但距離量產(chǎn)和實(shí)用，還有一段距離。

三、掩膜版的技術(shù)含量也很高

1. 掩膜版是芯片的絕密模板

再說(shuō)掩膜版的事。掩膜版是整個(gè)芯片的機(jī)密所在，沒(méi)有掩膜版，光刻機(jī)是無(wú)法準(zhǔn)確加工芯片的。拿走掩膜版，就可以復(fù)制任何公司的芯片，就像拿走印錢(qián)的電板可以制造逼真的假錢(qián)一樣。掩膜版就相當(dāng)于照相的底片，光刻機(jī)的作用就是要把底片上的圖案印到光刻膠上。這個(gè)底片也就是掩膜版，它的制造跟芯片光刻流程相似，但比光刻工藝更難，而不是更簡(jiǎn)單。

1. 芯片生產(chǎn)需要設(shè)計(jì)好掩膜版

掩膜版是由芯片代工廠設(shè)計(jì)出來(lái)的，首先需要拿到客戶設(shè)計(jì)好的芯片圖紙，這個(gè)圖紙是電子版的，用EDA軟件繪制。芯片代工企業(yè)需要用EDA軟件把這個(gè)文件打開(kāi)，進(jìn)行分析。這就是為什么大家都說(shuō)除了光刻機(jī)被卡脖子以外，EDA軟件也會(huì)限制代工企業(yè)為華為服務(wù)的原因。圖紙是不能直接用來(lái)刻芯片的，必須進(jìn)行識(shí)別，分層和再設(shè)計(jì)。芯片有很多不同的部件，不同部件的加工工藝是不一樣的，不可能一次完成，必須分批分步完成。這就要求把一個(gè)設(shè)計(jì)圖紙先拆分成若干層，每一層制作一個(gè)掩膜版。就好像彩色印刷需要把一張彩圖做成四種顏色的印刷版，分四次印刷才能完成一樣。

掩膜版圖案并不是設(shè)計(jì)圖紙的簡(jiǎn)單再現(xiàn)，而是要根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)圖案進(jìn)行合理修飾才行。不做修飾的掩膜版經(jīng)過(guò)光刻機(jī)的顯影以后，得到的芯片圖案會(huì)失真非常嚴(yán)重。打個(gè)簡(jiǎn)單的比方，要想打印一個(gè)老虎的圖案，必須得用貓的相片作為參照，如果用老虎自己的相片做參照，打印出來(lái)的可能就是怪獸了。所以，制作掩膜版，不能跟圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的圖案完全一樣。必須根據(jù)光學(xué)衍射的理論，和光刻機(jī)實(shí)際失真程度的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，把掩膜版圖案做一定的修飾，以便最終光刻出來(lái)的圖案足夠接近理想效果。這個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的要求非常高，得反復(fù)試驗(yàn)才能達(dá)到最理想的效果。

除了修飾以外，掩膜板的空白區(qū)還要加上特殊圖案以便對(duì)光刻機(jī)的光刻效果進(jìn)行考察。在光刻機(jī)工作的過(guò)程中，機(jī)器有沒(méi)有走神兒，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)偏差，要有一定的監(jiān)督機(jī)制。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，要能即使糾正和修訂?？瞻讌^(qū)的圖案就是起到監(jiān)督的作用的。

設(shè)計(jì)好的圖案得轉(zhuǎn)化成光刻設(shè)備能識(shí)別的格式，傳輸給光刻設(shè)備。為了提高精度，掩膜版的光刻一般不用普通光刻機(jī)，而是用精度更高的電子束光刻設(shè)備。電子束光刻設(shè)備的精度比光刻機(jī)要高，但工作效率低，暫時(shí)不適合用到芯片生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

1. 掩膜版制造也不簡(jiǎn)單

掩膜版的制造，跟芯片的制造類似，也是要在板子上涂上光刻膠，然后用激光或電子束顯影，最后再進(jìn)行蝕刻，顯出電路圖形來(lái)。掩膜版的制造非常關(guān)鍵，因?yàn)橐坏┭谀ぐ嬗绣e(cuò)誤，后面生產(chǎn)的所有芯片都會(huì)有錯(cuò)誤，損失就太大了。所以掩膜版的制作流程比芯片制作本身要更嚴(yán)格，不允許出現(xiàn)錯(cuò)誤。芯片可以有個(gè)良率或合格率的問(wèn)題，而掩膜版有瑕疵就得直接毀掉。

掩膜版可不是一塊木頭板，也不是一塊塑料板。而是光學(xué)性能非常好的石英玻璃，加上一層均勻的鉻金屬膜。把光刻膠均勻涂到金屬膜上，經(jīng)電子束顯影后，用試劑蝕刻掉一部分鉻金屬，顯示出電路圖案來(lái)。將來(lái)光刻機(jī)的光線就是從被洗掉的鉻金屬空格里照射過(guò)去進(jìn)行顯影的。為了提高顯影質(zhì)量，掩膜版石英玻璃以外還要再加上一層調(diào)整光線質(zhì)量的光掩膜。

這種傳統(tǒng)的掩膜版是普通光刻機(jī)使用的，極紫外光刻機(jī)無(wú)法使用。因?yàn)槭⑽諛O紫外光，所以極紫外光刻機(jī)的掩膜版不能做成透光的，而必須是反光的。EUV專用的掩膜版，需要在基板上覆蓋一層稀有金屬釕，然后再在釕上覆蓋吸光材料TaN。制作掩膜圖案，就是要在吸光材料上雕刻圖案，利用金屬釕反光形成光刻的圖案。這種掩膜版特別愛(ài)干凈，哪怕有一丁點(diǎn)雜質(zhì)吸附上都不行，必須經(jīng)常清洗。此外，實(shí)際工作中，極紫外掩膜版必須在真空條件下使用，因?yàn)榭諝獾某煞忠矔?huì)影響極紫外光的傳播。目前國(guó)內(nèi)還無(wú)法量產(chǎn)極紫外光刻機(jī)專用的掩膜版。

不管是光刻膠，還是掩膜版，都不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單會(huì)生產(chǎn)就完事了。需要大量的基礎(chǔ)研究工作，和大量的創(chuàng)新研究，才能與時(shí)俱進(jìn)。這需要有大量專業(yè)人才的儲(chǔ)備，所以，我們國(guó)家一定要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究工作布局，加大基礎(chǔ)研究人才的培養(yǎng)。這也正是國(guó)家教育部強(qiáng)基計(jì)劃推出的原因之一。希望各位家長(zhǎng)能看懂科學(xué)發(fā)展形勢(shì)，鼓勵(lì)孩子從事國(guó)家的高科技研發(fā)工作，不要因?yàn)榛瘜W(xué)考試?yán)щy就放棄化學(xué)的學(xué)習(xí)。新材料的研發(fā)離不開(kāi)化學(xué)知識(shí)，國(guó)家發(fā)展也離不開(kāi)化學(xué)人才。