2D芯片及其激光刻蚀和光刻技术

华中科技大学，徐长发，2020.2.10

芯片或者集成电路的应用现在已经非常普遍了，它是具有不同功能的功能块，它由复杂的电路构成，体积又是那么小，它是怎么制作出来的?

简单地说，它是在硅片上用激光刻蚀出二极管、三极管、存储器、电阻、电容、电路，再把这个复杂电路封装起来，将引线留在封装体的外面，以便不同场合使用这种功能块。

说起来容易，要实际制作出芯片可是非常有高科技含量的、需要复杂工艺的、还是非常精细的工作。

本文叙述制作芯片的大致过程和原理，以便读者对芯片制作工艺及其困难有一定的理解。

一.制作硅片

硅片是制作芯片最基本的材料，它是由二氧化硅(砂子的主要成分)提炼出纯度很高的“单晶棒”，再切成薄片得到硅片，由于对硅的纯度要求很高，所以制作“单晶棒”的工艺就是很复杂的。

先在电炉里用碳还原，

8.封装

在封装单块芯片之前，需要做一个安放芯片的支架，再引出脚线，再把整个芯片用硬质材料封装起来。单块芯片是2D的，多块累叠的是3D芯片。

9.芯片测试

芯片制作完成后，还要对芯片进行测试、剔除不良产品。

五.光刻和刻蚀的难点

人们追求芯片越做越小。因为芯片越小，一块硅片就能做出更多的芯片，而且成品率还会提高，成本就会降低;芯片越小，片中多余的空间就越大，可放更多的晶体管，性能就越强;工艺点越小，电子传导速度增快，晶体管的反应速度更快，芯片所能接受的频率就会越高;不仅如此，芯片越小的功耗就越低，器件性还能得到提高。

芯片做小，性能提高的工艺难点是光刻和刻蚀技术，还有刻蚀时的对准技术。

光刻和刻蚀是有区别的。光刻技术实际上是光复印技术，是用紫外光将预制在掩模版上的电路图形按所要求的位置，精确传递到预涂在晶片的光刻胶薄层上。本文介绍的刻蚀工艺，则是利用激光清除光刻窗口的氧化物，必要时刻蚀成沟槽，以便下一道工序的进行。

下面先谈谈光刻问题。衡量光刻精细程度的指标是“线宽”，也就是在芯片上造出沟槽或者导线的最小宽度。

芯片加工经过几十年的发展，光刻的线宽1962年是25微米 ;1970年,线宽为8微米;现在最先进的光刻机是：

第四代光刻机，是目前主流使用的，是荷兰ASML公司生产的“193nm波长的浸润式光刻机”，采用氟化氩(ArF)准分子激光源，光刻镜头置于纯净水中聚焦到芯片上，用液体加强折射率，缩小线宽，该设备售价7200万美元，可用于20 nm-14 nm线宽的工艺。加工良品率约为95%。

第五代光刻机也是ASML生产的“极紫外光刻(EUV)”设备，采用二氧化碳激光照射在锡等靶材上，激发出13.5 nm波长的光子，作为光刻机光源。该设备售价1.2亿美元，可用于加工10-7nm线宽的工艺。加工良品率仅为70%至80%。

为了增加成品率，对性能强大的芯片，人们一般还是采用“ArF浸润式光刻机”，只有对付特殊需要才使用EUV光刻机。

光刻线宽在10纳米以下的确是一件困难的工艺，主要困难在于：

①紫外光的波长要更短，因为把一个波长内的能量要集中于光刻点，波长最好在20纳米以下;这就需要更多的基础研究，以便获得更短波长的紫外光。

②聚焦能力要更强，聚焦后的能量要达到软化光刻胶的程度。

③曝光的线条可以很窄，线条与线条之间的间距会较大，假设是20纳米，有一种重复曝光技术，只要平移一下掩模版再曝光，则光刻的线宽就可以做到10纳米以下了，但是如何对准又成为精密机械工艺方面的难题，这是一个更难解决的问题。在芯片制作中要经过几十次的曝光和对准，对准误差只容许3纳米之内，误差大了就不便用重复曝光的办法去缩小线宽了。

总之，光刻线宽越小，带来的理论问题和工艺问题就越多。

我国自主研发的光刻机现在可以加工10纳米线宽的器件。据说，华中科技大学的光电实验室已经研究出的光刻方法可以达到9纳米线宽。我国自主研发的光刻机正在赶超世界最先进的水平。

人们追求光刻缩小线宽，线宽是有光学极限的，极限可能是3纳米。如果线宽太小就会出现线路之间的量子效应，就不能保证集成线路的功能了。线宽缩小固然有很多好处，但是带来的加工困难却是更大，人们不禁要问，再追求更小的光刻线宽有意义吗?现在工程师们正在设法把2D芯片堆叠起来制作3D芯片，这或许是更方便更经济的方法。

下面再谈谈刻蚀问题。

刻蚀工序是要在硅片上以很细的线段、线条刻除氧化物，或刻出沟槽。在干性刻蚀工艺中一般采用高密度等离子体刻蚀，能灵活控制对氧化硅或硅的刻蚀效果，刻蚀过程中产生的飞溅气化物也被快速吸走。

刻蚀技术的操作和控制比光刻要容易些。

目前，中国已经具备7纳米刻蚀机的实际使用能力，而且基本上掌握了最先进的5纳米刻蚀工艺技术。

六.总结

芯片的价值，1/3在于线路设计。1/3在于晶圆制作，1/3在于芯片光刻和刻蚀制作。芯片制作，需要众多的最新的科技理论知识，需要综合性的应用知识，需要最新的材料知识，需要非常精密的控制技术和制造技术。

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