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造芯片首先要先有光。人类如何用飘渺无形的光来雕刻出一枚精巧至极的芯片。为什么光刻是芯片制程中一切工序的基础。而晶圆厂中的光刻流程具体又有哪些步骤呢。
二、光刻
光刻用光来雕刻。 为什么是光呢 答因为它快。对于24小时运转的芯片厂来说时间就是金钱速度决定产量。而在我们所处的宇宙之中光就是速度的极限。 那我们如何驾驭光来刻出芯片的呢 答通过光掩膜MASK、光刻机、光刻胶。
(1).光掩膜
光掩膜是芯片的蓝图刻有集成电路版图的玻璃遮光板。
(2).光刻机
光刻机像一台纳米级的打印机通过发光将光掩膜上的图形投射在硅片上。
(3).光刻胶
光刻胶是把光影化为现实的胶体有着正胶和负胶之分。 正胶是一种见光死的材料在暗中坚挺但是只要被特定波长的光照射就会疲软。进而可以被溶解清除。 负胶则正好相反。 我们利用光刻胶的光敏性就能用光来雕刻芯片了。
(4).挖坑道
比如我们想做一个沟槽式的内存芯片(DRAM),就得在平整的芯片上挖几千个坑道(Trench),来做电容器矩阵。 那如何给芯片挖坑道呢 4.1 Resist
Resist:暗中给硅片涂抹一层光刻胶。
4.2 Thin coat of resist
Thin coat of resist涂抹薄层
4.3 Patterned mask
Patterned mask再照上光掩膜进行曝光 让光线按照光掩膜上设计好的坑位通过
4.4 Chemical reaction
被照射的这一部分胶体就会疲软随即被溶剂洗掉
4.5 Developing
剩余坚挺的光刻胶就形成了保护膜。 4.6 Organic solvent
Organic solvent有机溶剂通过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。
4.7 Etching
Etching:蚀刻 这样我们就在同一时间内完成大量深坑的精确雕刻工作。而这种雕刻后对硅片定向做减法的腐蚀就叫刻蚀。
4.8 Deposition
Deposition:沉积,与刻蚀定向做减法相反沉积是给硅片定向做加法的过程。
Lift-off Technique
Lift-off Technique:剥离技术 除此之外我们也可以对硅片做加法来造坑比如通入化学气体在硅片上均匀生长出一层物质。此时没被光刻胶保护的部位厚度就会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被清理相当于厚度不变。
这种定向做加法就是沉积(Deposition)
三、狭义上的光刻
狭义上的光刻刻的不是硅片而是硅片上的这一层光刻胶。
四、离子注入
把刻好的光刻胶作为蓝图再结合下一步的刻蚀或者沉积。才能对硅片进行雕刻和加工另外为了给半导体硅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。
五、光刻的地位
正因为每一次刻蚀、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是根基。往往占据整套工艺近一半的工时。和1/3的成本。
六、光刻的详细流程
光刻流程总结来说就是 涂胶-曝光-冲洗
详细来说要经历八个步骤三次烘焙
1.清洁及表面处理 wafer clean and vapor prime
硅片清洁和表面预处理湿法和去离子水清洗光刻对干净的要求远远超过最先进的手术室。 所以光刻前要给芯片洗个澡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质。 之后再通入一种叫六甲基二硅胺烷的气体简称HMDS经过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的黏附光刻胶所以这一步又称为增粘处理。
2.旋转涂胶 spin coat
把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。这个过程大部分光刻胶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。 我们都知道贴膜是怕气泡的所以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了气泡会影响后续的工艺。造成诸如过渡刻蚀之类的问题。 而另一个问题是硅片生产要磨边(倒角)光刻胶在旋涂的时候容易因为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(Edge Bead Removal)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 soft bake
涂胶后要对硅片进行曝光前的烘焙。 这一步机械臂会将硅片取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度左右的温度“烤”一分钟光刻胶是不耐高温的。
4.对准与曝光 alignment and exposure
前烘完成后光刻机上场对硅片进行曝光。 主要发生了以下事情
1.光掩膜、透镜组蔡司和硅片工件台会精密对准和调平。 2.光源放光由40千瓦激光驱动的极紫外光(EUV) 3.移动工件台让硅片有序曝光
这三道工序花费10亿元。
5.后焙 post exposure bake
简称PEB。 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 develop and rinse
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之上。 通常的做法是先用去离子水润湿硅片然后把显影液(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再用去离子水冲走。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喷氮气把它们吹走。
7.坚膜烘焙 hard bake
让保护膜更坚挺更加顶得住刻蚀。以此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。
8.测量检测 inspection
最后还要用仪器测量光刻胶的膜厚。一般用电子显微镜甚至是原子力显微镜。光刻胶的分辨率必须达标才能保证以此为蓝图的刻蚀、沉积或者离子注入能顺利进行。
七、光刻设备
涂胶-烘焙-显影 轨道式一体机 它是和光刻机搭配使用的用来给硅片提供除曝光以外的光刻一条龙服务。价格不算贵只有光刻机的1/20。
目前基本被日本的迪恩士(SCREEN)和东京电子(TEL占市场的90%)所垄断。
作为芯片制造的重要设备供应商东京电子的知名度远不如聚光灯下的阿斯麦。但是在业内它举足轻重。设备涉足光刻胶、清洗、沉淀和干法刻蚀等各个制造环节。尤其在目前最先进的EUV制程中。光刻机只有阿斯麦能做而光刻胶涂布只有东京电子能做。
目前涂胶-烘焙-显影 轨道式一体机具备替代能力的只有沈阳的芯源微。市占率目前只有4%左右而且只能用于28nm以上的制程。但是能打破日本厂商的垄断地位实现从0到1的转变对于我们争夺技术话语权提高谈判议价筹码有非常重要的意义。
