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【天富平台手机版登陆】芯片破壁者:光刻技术的“鬼斧”之变

《【天富平台手机版登陆】芯片破壁者:光刻技术的“鬼斧”之变》

文丨脑极体

在我们今天看来,晶体管发明以后,集成电路的出现一直到今天超大规模集成电路的出现,似乎是一件水到渠成的事情。但是如果回到半导体产业初兴的历史现场,我们就会发现没有任何一项关键技术的突破是“必然产生”的。
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(硅晶圆上的集成电路和电子元器件)

光刻技术,正是半导体芯片得以出现的关键技术之一,也仍然是今天芯片的核心制造工艺,光刻机更是被誉为半导体产业皇冠上的明珠。

在试图探讨我国如何实现半导体产业突围的当下,光刻技术和光刻机始终是我们无法回避的技术隐痛,也是我们必须跨越的技术高峰。

不过,高端光刻机所涉及的技术种类之多、技术难度之高、产业链之复杂,远超外行人的想象。在半导体产业七十多年的进程中,正是光刻技术的不断改进推动了芯片结构的迭代升级,同时光刻技术以及相伴而生的光刻机、光源、光学元件、光刻胶等材料设备,也形成了极高的技术壁垒和错综复杂的产业版图。

我们首先将回到光刻技术诞生的历史现场进行还原,也会深入到光刻技术的演进历程,以及光刻机产业的竞争版图中,让我们获得对于光刻技术的全局视野,从而也能更好理解当下我们所处的半导体光刻机产业的竞争格局。

为硅晶体拍照,光刻技术的闪亮登场

从晶体管的发明到集成电路的出现,这中间还有一个巨大的跨越,那就是如何将大量的电子器件微型化,以集成在一小片电路上。完成这一跨越,全世界最聪明的电子工程师们又花了十年时间,这十年也成为电子技术史上面的第一个关键时期。

20世纪50年代,在芯片出现之前,电子器件的连接几乎都要依赖手工完成。当时美国海军的一艘航空母舰有35万个电子设备,需要上千万个焊接点。这样的工程量使得电子设备的生产效率严重低下,电路的成品率也完全依赖操作人员的熟练度和准确度。

电子产业界都在呼唤微型化集成电路,也就是芯片的出现,而制作芯片的工艺正在贝尔实验室中酝酿。

从1950年起,贝尔实验室的几位化学家陆续完成了锗晶体和硅晶体的提纯。到1995年初,亨利·索罗制造出了杂质浓度小于千分之一的硅晶体。

与此同时,化学家卡尔文·富勒领导的小组研发出高温下锗晶体的杂质扩散工艺,可以通过精准地控制杂质进入锗晶体的深度和数量,制造出PN结。1955年,富勒研究小组已经把扩散技术应用在硅晶体上面,通过扩散技术将两种杂质注入硅片上,形成NPN结构。扩散技术至今仍然是晶体管制造的基础。
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(贝尔实验室以扩散技术制造的第一个硅基晶体三极管)

同时在贝尔实验室工作的卡尔·弗洛希和林肯·德里克为扩散技术提出了一种全新的方式,那就是在硅片表明生成一层氧化膜,在其上蚀刻出窗口图形,从而使得杂质只能从窗口扩散到硅衬底中,而覆盖氧化膜的地方则被保护了起来。

在这些基础工艺实现之后,光刻技术的出现也呼之欲出。1955年,贝尔实验室的朱尔斯·安德鲁斯和沃尔特·邦德开始合作,将于制造印刷电路的光刻技术用于硅片加工。其方法就是在二氧化硅的氧化膜上均匀涂抹一层“光致抗蚀剂”(也就是光刻胶),随即通过光学掩模的方式将窗口图形暴露在这一图层上,形成精准的窗口区域。然后再通过化学蚀刻将这一“窗口”形成,同时除去未曝光的“光致抗蚀剂”。最后再将所需杂质通过这些“窗口”扩散到下面的硅衬底中,形成半导体器件所需要的P型和N型结构,从而构成更精准、更复杂的半导体器件。

简言之,光刻技术的实质就是将芯片所需要的电子线路和功能区制造出来。光刻机将光源通过掩模,对涂了光刻胶的硅晶圆进行曝光,曝光后的光刻胶发生变化,也就“复印”了掩模上面的图形,最终也就使得晶圆上面产生了电子线路图。

纯化技术、扩散技术、氧化层掩膜技术以及光刻技术,这些制造工艺技术填平了从晶体管分立器件到集成电子线路的巨大鸿沟。

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不久之后,德州仪器的基尔比和仙童半导体的诺伊斯,就将这些来自贝尔实验室的半导体制造工艺应用在了集成电路的制造上面,开启了半导体产业的腾飞之路。

光刻技术的“摩尔定律”升级赛

有趣的是,光刻技术的发展还有一条支线。就在贝尔实验室取得半导体技术进展的同时,当时为美国国防部研究固态电路微型化的两位工程师杰伊.莱斯罗普和詹姆斯.纳尔,早已在1952年开始使用光刻胶来制作锗晶体管。1957年,两人在贝尔实验室研究成果的基础上进一步推进了光刻技术,制成了小型化的晶体管和陶瓷的混合电路,并创造了“光刻”(Photolithography)一词。
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(莱斯罗普和纳尔申请的光刻专利)

1958年,仙童半导体的霍尼发明了平面工艺,解决了晶体管的绝缘和连线问题,同时拉斯特和诺伊斯造出了世界上第一台光刻照相机,用于硅基晶体三极管的制造。1959年,仙童半导体研制世界第一个单结构硅晶片。1963年,研制出CMOS制造工艺,成为今天IC产业的主流制造工艺。

六十年代初,光刻技术还非常初级,当时掩模板是一比一贴在晶圆上,而晶圆的大小也只有1英寸。因为原理并不复杂,就如同照相一样,半导体公司还能自己设计相关光刻工具和装备,但很快专业的光刻机出现,随即成为了芯片制造的关键设备之一。

也就在1965年,英特尔创始人,时任仙童半导体实验室主任的戈登·摩尔通过观察发现每代芯片几乎都是前一代芯片容量的两倍,以此提出了推动半导体技术持续升级的“摩尔定律”。当时的版本是,集成电路芯片上可容纳的元器件数目,在价格不变的基础上每年翻一番。1975年,他又改为每两年翻一番。
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(摩尔定律的推进路线)

而摩尔定律实现的关键正是光刻技术。随着集成电路元器件尺寸不断缩小,而芯片集成度和运算速度的不断提高,对光刻技术的分辨率要求也越来越高。最终摩尔定律的实现正是同这一光学分辨率息息相关,而光学分辨率则是由一个瑞利公式决定:

CD=K1*λ/NA

其中,CD为曝光关键尺寸,K1为工艺常数,λ为光波长,NA为投影物镜的光学数值孔径。CD值越低,代表分辨率越高,也就是,光刻技术只有每两年把CD降低30%~50%,摩尔定律才能得以应验。

所以,提高光学分辨率的方法有三种,降低K1值,提高数值孔径NA,降低波长λ。在现实的技术工艺中,K1值和NA值的改进有限,而降低曝光光源的波长λ成为光刻技术持续推动的趋势。

从六十年代开始,半导体曝光光源经历了可见光、八十年代的436纳米、365纳米近紫外波段的高压汞灯光源,再到九十年代的248纳米深紫外波段的准分子KrF激光。一直到九十年代末的193纳米ArF准分子激光,也就是今天主流电脑主机芯片制造还在使用的DUV激光光源。

正是193纳米波长,成为决定今天光刻机产业格局的分水岭。

面对当时如何突破193纳米波长的难题,科学界和光刻机产业界都在寻求超越它的方案。当时美国的SVG、日本的尼康,基于前一代的干式光刻法,选择了看起来更稳妥的157纳米的F2激光,美国能源部和英特尔发起,联合摩托罗拉、AMD等组建了EUV LLC,主攻过于超前的13.5纳米的EUV极紫外光光源,此外还有更小众的EPL、离子光刻等。不过当时这些尝试都失败了。

有趣的是,来自台积电的工程师林本坚,在2002年提出了一种基于193纳米波长,但改变干式光刻为浸润式光刻工艺,也就是在光刻胶上方加上一层薄薄的水,来把193纳米波长折射成134纳米,一下子突破了157纳米的难关。此后浸润式光刻技术经过多次的工艺改进,更是做到了22纳米制程。
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(ASML的第一台浸润式光刻机)

而最早选择浸润式光刻技术的,就是那个“天选之子”一般的ASML。最终,在ASML和台积电的通力合作下,率先将193纳米浸润式光刻机生产出来,也正是这一领先尼康三年的新产品,让ASML彻底赢得了光刻机绝大部分的市场份额。而溃败的尼康再也没能拿出更好的光刻机,而只能停留在中低端市场当中。

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