芯片確實是人類一個偉大的發(fā)明，只有用芯片才能把CPU的體積做得很小，海量的CPU集成在一起，才能夠制造出超級并行計算機。芯片的制造過程，就相當(dāng)于用完全相同的材料，建設(shè)一個城市的過程。
芯片藏身于城市中隨處可見的電子設(shè)備，智能手機、電腦、家電等都離不開它的控制。
小小的芯片集成了龐大規(guī)模的電路。
把芯片放大，可以看到其內(nèi)部存在著密密麻麻的線路排布，就像密集交織的高速公路，仿佛在極小的尺寸上建造了一座井然有序的電路城市。
芯片內(nèi)部有多小呢?如今我們在工業(yè)上運用的芯片最小制程，也就是我們?nèi)祟惸軇?chuàng)造出的微小尺寸，已經(jīng)達到 3nm，芯片內(nèi)部可以集成上百億個晶體管。
芯片制造的“多層”思路
無數(shù)納米級的電子元件在芯片上錯落排布，是將每一個元件事先制好，再一個一個安放上去嗎?
不是!我們可以換個角度看待這個問題，在縱向仔細(xì)觀察，可以發(fā)現(xiàn)芯片是由一層層帶有不同圖案的片狀結(jié)構(gòu)縱向壘疊而成。如果我們將每一層事先制好，再縱向累加，二維結(jié)構(gòu)能疊加成三維器件，最后形成功能豐富的芯片。
現(xiàn)在我們的目標(biāo)變成了如何制成有特定圖案的片狀結(jié)構(gòu)。首先我們要有能夠用來印上電路圖的片狀材料，也就是我們常聽說的硅晶圓，這是一種純度極高的硅，經(jīng)過加工后被切割成光滑、極薄的圓片。
接著，我們就像木匠，需要找到稱手的工具來雕刻圖案，要制成內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且極其微小的芯片，對加工工具的尺寸要求極高。
聰明的我們找到了光這把刻刀，正是由于光具有豐富的波長，我們可以利用短波長的光來實現(xiàn)極其精細(xì)的加工。
我們希望通過光學(xué)曝光將圖紙上設(shè)計好的電路圖案轉(zhuǎn)移到硅晶圓上，但是光不能對硅材料產(chǎn)生影響，所以需要借助一個中間材料，也就是能直接和光相互作用的光刻膠。
要讓光實現(xiàn)圖案的信息的傳遞，可以利用將光完全擋住或完全通過的方式產(chǎn)生明暗圖案。光通過帶有電路圖案的擋光板(掩模版)，可以復(fù)制掩模版的圖案信息，最后和硅晶圓表面上均勻覆蓋的光刻膠相互作用后，硅晶圓上出現(xiàn)了我們需要的圖案信息。
光刻膠是光刻成像的主要承載介質(zhì)，分為正膠和負(fù)膠，曝光區(qū)域更容易在顯影液中溶解的為正性光刻膠，曝光區(qū)域更不易在顯影液中溶解的是負(fù)性光刻膠。
假設(shè)使用的是正性光刻膠，當(dāng)曝光過程結(jié)束后，顯影液能夠溶解暴露在光下的光刻膠。接著再用化學(xué)物質(zhì)溶解裸露的硅晶圓，遺留在硅晶圓表面的光刻膠能起到保護硅晶圓的作用，這就是刻蝕過程。
現(xiàn)在我們完成了目標(biāo)，獲得了帶有特定電路圖案的硅晶圓。在這整個過程中，大致思路其實比較流暢，但芯片制造這項代表人類巔峰智慧的精密工程包含了無數(shù)嚴(yán)苛的要求。
芯片內(nèi)部尺寸受到什么限制?
芯片的主要元件是晶體管，一塊大型芯片能有上百億個晶體管，當(dāng)我們能制造越小的晶體管，芯片能容納的元件數(shù)越多，晶體管的功耗也會越低。
在芯片制造中，我們希望利用光在小尺度范圍中創(chuàng)造電路圖案，那么為什么光能實現(xiàn)這個效果呢?光的雕刻極限又在哪呢?
1
衍射
影響光的雕刻水準(zhǔn)的主要原因是光的衍射效應(yīng)。光是一種電磁波，在光刻傳播過程中衍射不可避免，曝光范圍就有了最小特征尺度。光的分辨率，也就是光刻膠依據(jù)光輻照來重建圖形的能力有了限制。
曝光過程的衍射 | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons
如下圖所示，當(dāng)一束平行光經(jīng)過一個狹縫，光會以無數(shù)子波的形式在傳播過程中相互干涉，形成明暗相間的衍射圖樣。
單縫衍射 | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons
也就是說在微小尺度上考慮光的傳播，有光區(qū)域不再和無光區(qū)域涇渭分明，而是出現(xiàn)了模糊地帶，一個理想物點發(fā)出的光經(jīng)過障礙物邊緣后，會偏離幾何光學(xué)直線傳播的特點，不再形成一個理想像點。
這正是因為狹縫寬度和光波長尺度相當(dāng)時，光的波動效果迎來了舞臺，光可以利用波動效果繞開障礙物，在空間中彌散開來，形成了光發(fā)散的衍射效果，導(dǎo)致曝光區(qū)域范圍不再精準(zhǔn)，光的分辨率有了極限。
光的波動效果圖(對比直線傳播和波動效果) | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons
2
分辨率
在光學(xué)成像領(lǐng)域，分辨率是衡量分開相鄰兩個物點的像的能力。理想情況下，我們希望每個物點都能產(chǎn)生銳利的像點，但由于衍射，實際結(jié)果為有一定大小的光斑。如果兩個光斑(衍射圖樣)重疊程度過大，則像點難以分辨。
瑞利提出了一個有效的判據(jù)，分辨率計算公式為：
該分辨率表達式描述了兩個光斑時恰好能分辨的極限位置——當(dāng)一個光斑的極大位置與另一個光斑的第一個零值點重合。其中，λ為照明光波長。
光斑不可分辨和恰好可分辨的極限情況 | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons
NA 為數(shù)值孔徑，它描述了透鏡對光的匯聚能力，具體表現(xiàn)為平行光入射后的偏折程度(匯聚到焦點)，計算表達式為：
數(shù)值孔徑(n 為折射率)| 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons
瑞利判據(jù)常用來評價成像質(zhì)量，而光刻系統(tǒng)是在光刻膠中成像的。光刻膠是一種高對比度的成像介質(zhì)，在某些曝光條件下，雖然光學(xué)分辨率已經(jīng)達到了瑞利判據(jù)的分辨極限以下，但光刻膠仍然可以呈現(xiàn)較好的成像結(jié)果，實現(xiàn)加工的目標(biāo)。
光刻成像的分辨率為：
Rlitho 為光刻系統(tǒng)可分辨的圖形周期;k1 為工藝因子。
3
光刻
芯片制造中光刻是最復(fù)雜、昂貴且關(guān)鍵的工藝，通常使用投影式光刻系統(tǒng)將掩模版的電路結(jié)構(gòu)圖投射到硅晶片的表面。
光學(xué)透鏡可以聚集衍射光提高成像質(zhì)量，在光刻技術(shù)中為得到盡可能小的圖案，在掩模板和光刻膠之間采用了一種具有縮小倍率的投影成像物鏡。
投影式光刻系統(tǒng) | 圖源網(wǎng)絡(luò)
如何打磨光這把刻刀?
我們現(xiàn)在知道了：光的最小加工尺度(分辨率)決定了芯片能小到什么程度。如何來讓芯片變得更小呢?我們需要讓分辨能力更強，讓芯片上的電路城市功能更精進。
根據(jù)光刻分辨率公式中的三項，我們有了三種方案來打磨光這把刻刀。
·增大光刻系統(tǒng)的數(shù)值孔徑
光刻成像系統(tǒng)中的投影物鏡的數(shù)值孔徑越大，分辨能力就越優(yōu)越。具體操作是設(shè)計浸潤式光刻機，即在晶圓和投影物鏡最后一面鏡頭之間填充高折射率的介質(zhì)。
·縮短波長
光刻過程的光波長已經(jīng)經(jīng)歷了 G 線(432nm)、I 線(365nm)、KrF(248nm)以及 ArF(193nm)的深紫外波段的發(fā)展歷程，目前 13.5nm 波長的極紫外光刻機(EUV)已經(jīng)投入使用。
·減小工藝因子
通過優(yōu)化光刻工藝參數(shù)也能提高光刻分辨率，如改善光照條件、光刻膠工藝和掩模版設(shè)計等，這些方法都能減小工藝因子 k1，被稱為分辨率增強技術(shù)(RET)。
光是電磁波，因此包含了振幅、相位、偏振態(tài)和傳播方向等信息。光刻分辨率增強技術(shù)就是通過調(diào)控光的以上四種信息，讓光刻膠上獲得更細(xì)小的圖形結(jié)構(gòu)。例如離軸照明技術(shù)可以改變振幅和相位，光學(xué)鄰近效應(yīng)修正技術(shù)可以改變光波振幅，光源—掩模聯(lián)合優(yōu)化可以改變光波的傳播方向、振幅和相位。
各個工藝節(jié)點和光刻技術(shù)的關(guān)系表 | 來源：薩科微半導(dǎo)體官網(wǎng)，ASML，中泰證券研究所
縱覽光刻機的發(fā)展歷程，我們的確在沿著不斷縮小波長的途徑上奔跑。觀察表中數(shù)據(jù)，當(dāng)光源波長相同時，我們依然在不斷縮小制程，這是數(shù)值孔徑、工藝因子以及其他復(fù)雜技術(shù)的功勞。
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