光刻壟斷難解，技術難在哪？

經常聽說，高端光刻機不僅昂貴而且還都是國外的，那么什么是光刻機呢？上篇我們聊了從原材料到拋光晶片的制成過程，今天我們就來聊聊什么是光刻～

第一步驟的晶體生長機晶片的制造，我們上篇已經聊過了。今天我們要聊的是光刻，我們先簡單聊一聊硅的氧化（熱氧化），刻蝕的話我們后面再講。

硅的氧化

其中包含了在分立器件和集成電路制造過程中遇到的四類薄膜：熱氧化膜、電介質膜、多晶硅膜及金屬膜。圖中，柵氧化層和場氧化層都是采用熱氧化的方法生成，因為只有熱氧化法能夠提供最低界面陷阱密度的高質量氧化層。

熱氧化

半導體的氧化有很多方法，比如熱氧化法、電化學陽極氧化法和等離子化學汽相淀積法。當中，熱氧化法是硅基器件制造中最常見也是最重要的方法和關鍵工藝。

組成包括：一個電阻加熱氧化爐，一個圓筒型熔融石英管。開槽的石英舟放在石英管中，石英槽用來垂直擺放硅片，一個注入口用來注入高純度干燥氧氣或者高純水蒸氣（即干氧氧化法和濕氧氧化：兩者反應方程式不一樣，干氧氧化生成的氧化層電性能較好，但是生成速度會比濕氧氧化要慢。所以，相對較薄的氧化層我們一般采用干氧氧化；相對較厚的則采用濕氧氧化）。

氧化溫度一般維持在 900～1200℃。其中，需要控制溫度從低溫線性上升到氧化所需的溫度，避免溫度的突變帶來硅片發生形變的風險，同時氧化過程中需要講溫度維持在一定的范圍，氧化完成后也要線性地降低溫度。

由熱氧化法生成的二氧化硅是一個正四面體結構。硅原子位于四面體的中心位置，四個氧原子分別位于四面體的四個頂點。并且此類二氧化硅屬于非結晶結構，密度較低，會使各種雜質進入并容易擴散到整個氧化硅層。

在熱氧化過程中，硅表面附近的雜質濃度會形成再分布。我們把硅中雜質平衡密度和二氧化硅中的雜質平衡密度的比值稱為分凝系數 k。二氧化硅中摻雜雜質的再分布很少具有電活性，但是硅中的摻雜雜質的再分布在氧化過程和器件制造過程中卻起著重要作用。

SiO2 的掩模特性

二氧化硅層可以在溫度上升時對雜質擴散提供掩模作用。不論是雜質的預淀積，或者是離子注入、化學擴散等技術，一般都會導致在氧化物表面或者附近生成摻雜雜質源。在隨后的高溫工藝步驟中，在氧化掩模區域中的擴散必須足夠的慢，以阻止摻雜雜質通過氧化掩模層向硅的表面擴散。氧化掩模層的厚度一般通過實驗測試的方法來獲得，主要是在特定的溫度和時間下，不能使低摻雜的硅襯底發生反型（典型的氧化掩模層厚度在 0．5um～1um）。總之，二氧化硅是高質量的絕緣材料，在硅片上可以通過熱生長的方法形成二氧化硅層，它可以在雜質注入和擴散中作為阻擋層。

目前，針對 45 納米以下的高端光刻機市場，荷蘭 ASML 市場占有率達到 80％，同時 ASML 可以說是唯一一家有能力提供 7 納米的光刻機廠商。國內光刻機的研究目前還屬于提高階段，去年中國科學院光電技術研究所推出了 22 納米的光刻機，大大推動了國產光刻機的發展。那么接下來帶大家來了解什么是所謂的光刻？

光刻

光刻，就是講掩膜上的幾何圖形轉移到涂在半導體晶片表面的敏光薄層材料（也就是我們說的光刻膠）上的工藝。這些幾何圖形確定了集成電路中的各種區域，比如離子注入區，接觸窗口和引線鍵合區等等。但是由光刻工藝造成的光刻膠上的圖形只是電路圖形的印模，為了產生電路圖形，我們還需要再一次將光刻膠上的圖形轉移到光刻膠下面的各層當中去，這一過程也就是我們所說的刻蝕。

今天我們主要聊聊光刻的以下幾個部分：曝光裝置、掩模、光刻膠以及結語。

曝光裝置

圖形的轉移主要是通過曝光設備來完成的。而曝光設備的性能主要取決于三個部分：分辨率、對準精度和生產效率。分辨率指的是能夠精確轉移到半導體表面光刻膠上的最小特征尺寸值；對準精度指的是各個掩模和先前可在硅片上的圖形互相套準的準確度；生產效率指的是掩模在固定時間內所能曝光的硅片數量。以上三點是衡量曝光設備性能的主要參數。

基本的曝光方法分為兩種：遮蔽式和投影式。

遮蔽式曝光：

遮蔽式又可以根據掩模和硅片之間的距離分為接觸式曝光和接近式曝光兩種。接觸式曝光中，當掩模和硅片接觸時，硅片上的灰塵粒子或者硅渣會嵌入到掩膜中，對掩模造成永久性的損傷，在后續使用中會造成曝光的每個硅片上都會留下缺陷。

避免上述的弊端，可以采樣接近式曝光，即掩模和硅片之間留有一個小的間隙，通常在 10～50um。但是這樣的壞處會分辨率相應地降低。

投影式曝光：

為了遮蔽式曝光的一些弊端，出現了所謂的投影式曝光法。把掩模上的圖形投影到涂有光刻膠的硅片上，為了提高分辨率，每次只曝光掩模的一小部分，然后用掃描或者分步重復的方法將整個掩模曝光到硅片上。

由于每次曝光一小部分，可以將掩模圖案進行縮小投影到硅片上，縮小倍數取決于使用的透鏡和掩模的能力。這樣的投影曝光可以在不重新設計透鏡的前提下曝光更大的晶片。

掩模

制作掩模類似于我們制作 PCB，首先利用繪制軟件完整地繪制出具有電學功能的電路圖形，然后利用電子束光刻系統將圖形直接轉移到對電子束敏感的掩模上。掩模由鍍鉻玻璃板組成，電路圖形首先被轉移到對電子束敏感的掩模上，然后再被轉移到下面的鍍鉻層上，得到最終的掩模。對于集成電路的制造一般會分為若干個掩模層，例如隔離區一層，柵極區一層等，可能多大幾十層。掩模的一個重要指標是缺陷密度。在制作掩模的過程中或者在以后的圖像曝光過程中，都會給掩膜帶來缺陷。這樣的話便會影響到器件的成品率。

光刻膠

光刻膠又稱為抗蝕劑，是一種對輻照敏感的化合物，根據其輻照的響應特性我們分為正性和負性。正膠由三種成分組成：感光劑、樹脂基片和有機溶劑。在曝光前，感光劑是不溶于顯影液的，曝光后，曝光區內的感光劑由于吸收了光照能量而導致其化學結構發生變化，在顯影液中變得可以溶解。顯影后，曝光區內的光刻膠被去掉。

負膠是一種含有感光劑的聚合物。曝光后，感光劑吸收光照能量并轉變為化學能而引起鏈反應，使得聚合物分子間發生交聯。交聯聚合物具有較高的分子量而變得不溶于顯影液。經過顯影后，未曝光得部分被溶解。負膠得一個主要缺點是在顯影時光刻膠會吸收顯影液溶劑而膨脹，從而限制了負膠得分辨率。

結語

隨著集成電路集成度越來越高，尺寸越來越小（亞微米級到納米級），光刻設備和光刻工藝也在不斷地提高。更高的分辨率、更深的聚焦深度以及更大的曝光范圍一直面臨著不同的挑戰。通過縮短曝光裝置的波長、開發新型的光刻膠，發展掩模的性能（一種增強分辨率的相移掩模 PSM），多種曝光方法（比如電子束曝光、X 射線曝光、離子束曝光和超紫外線（我們說地 EUV）曝光）等等手段來提升光刻工藝。光刻在半導體發展中的重要性也日益顯著，但迫于難度也是使得其出現部分壟斷，也造就了我們這樣一個執著攻堅的國家，雖然前路艱難，但是未來仍可期！