光刻膠和掩膜版，純國產(chǎn)芯片生產(chǎn)需要克服的兩個重要障礙

無法制造純國產(chǎn)的高端芯片，是國人心中隱隱的痛！目前來說，阻礙國產(chǎn)高端芯片的最大瓶頸就是極紫外光刻機。但是，即使有了極紫外光刻機，也需要光刻膠和掩膜版來進行配套才行。

一、光刻機不是直接刻蝕芯片

正如上一個關于光刻機的視頻所說，芯片生產(chǎn)用的光刻機，只是起到曝光的作用，并不進行刻蝕。要想用光刻機進行直接刻蝕，必然面臨以下幾個難題。

首先，要把激光功率做到足夠大，需要把硅或一些金屬氧化物直接氣化剝離。目前來說，波長越短的激光光源制造越困難，實現(xiàn)大功率越難，現(xiàn)有的紫外、極紫外光源難以產(chǎn)生足夠強的激光。尤其是極紫外光源，現(xiàn)在能做到讓光刻膠瞬時曝光就已經(jīng)很不容易了。

其次，激光直接刻蝕，要求把熔點非常高的硅、金屬氧化物等物質(zhì)直接氣化，必然會產(chǎn)生非常高的溫度，甚至可能得達到幾千攝氏度，這個溫度條件想雕刻幾納米的細線，而不對周邊材料產(chǎn)生任何影響，不產(chǎn)生圖像變形，是不太可能的。同時，激光直接蝕刻，必然要求足夠長的燒蝕時間，以達到刻蝕工藝要求，這就會大大降低生產(chǎn)效率。

此外，直接蝕刻所要求的激光強度這么高，光刻機里的透鏡、反光鏡等光學器件能否保證不被燒毀都是畫著問號的。激光傳播的精度更是難以保障。

最后，激光直接蝕刻，必然產(chǎn)生很多碎屑，這些碎屑一定會影響光刻機的工作效果，最終影響芯片的制作質(zhì)量。

基于以上分析，直接蝕刻的光刻機并不是芯片制造領域追求的方向。現(xiàn)有的光刻機，都是先通過激光讓光刻膠曝光顯影，再利用專門的化學蝕刻工藝進行后續(xù)的蝕刻。而光刻膠在這樣的光刻機上就是不能缺少的耗材。對于芯片制造來說，光刻膠的性能直接影響著芯片電路的可靠性。有很多因素需要考慮，說光刻膠是芯片制造領域最難生產(chǎn)的耗材一點都不為過。

二、光刻膠是光刻機最復雜的耗材

1. 光刻膠有點像膠卷

光刻膠有點像以前用的膠卷，但也有一些不一樣的地方。首先，光刻膠并不是加工好的膠片成品，而是一種液體，需要均勻涂抹到晶圓上，然后再烘干固化粘到晶圓上。其次，光刻膠需要一定強度的紫外光或極紫外光才能曝光，放到太陽光下是不會曝光的。而且，不同光源的光刻機需要的光刻膠也是不一樣的，所以每換一種光源，一般都得研發(fā)一種新的光刻膠。再次，光刻膠的分辨率遠遠高于普通膠卷，膠卷一般只能顯示肉眼可見的圖案，而光刻膠的圖案是顯微鏡都難以看清楚的。最后，膠卷顯影后，膠卷本身是完整的，而光刻膠顯影后，圖案部分的膠已經(jīng)被溶解掉了，會露出下面的晶圓來。

經(jīng)過曝光后的光刻膠，會分成兩個區(qū)域，一個區(qū)域是可以用特殊溶劑溶解的。通俗來說就是有一種特殊藥水，可以把被光照過的膠片或者是沒被光照射的膠片給溶解掉。把可溶解部分溶解掉的過程就是顯影。另一個區(qū)域不僅不易溶解而且還是防蝕刻的，所以光刻膠也叫光致抗蝕劑。因為它防蝕刻，蝕刻機只能蝕刻沒有被光刻膠覆蓋的部分，也就可以在晶圓上蝕刻出想要的圖案來了。根據(jù)可溶解性的不同，可以把光刻膠分為兩類，一類叫正膠，曝光區(qū)域的膠可以溶解，形成的圖案跟掩膜版一樣；還有一類叫負膠，曝光區(qū)域不可溶，非曝光區(qū)域可溶，形成的圖案跟掩膜版相反。

1. 光刻膠的主要性能指標

光刻膠有分辨率、靈敏度、耐蝕刻性、線邊緣粗糙度、儲存穩(wěn)定性等主要的性能指標。

其中分辨率和線邊緣粗糙度是直接影響芯片加工質(zhì)量的兩個重要參數(shù)。分辨率越高，越適合制作高端芯片，顯然極紫外光刻機需要的光刻膠對分辨率的要求是最高的。目前臺積電利用極紫外光刻機已經(jīng)實現(xiàn)了7nm芯片和5nm芯片的制作，未來還要實現(xiàn)3nm甚至更小。對光刻膠的要求越來越高。目前國內(nèi)的極紫外光刻膠還在實驗室研發(fā)階段，雖然取得了不少成果，但都沒有實現(xiàn)量產(chǎn)。最好的光刻膠主要都是日本公司生產(chǎn)的。國內(nèi)，能夠量產(chǎn)的光刻膠都是分辨率比較低的，近期分辨率最高的國產(chǎn)光刻膠將達到28nm，但預計2020年底或2021年初才能量產(chǎn)。

線邊緣粗糙度，就是說光刻機曝光后的圖案可能會有毛邊。打個簡單的比方，就是用鋼筆寫字的時候，由于紙張質(zhì)量問題可能會洇紙顯出毛邊來。光刻膠也是一樣，并不是光照在哪里就在哪里顯示圖案?，F(xiàn)在的光刻膠都是需要化學反應對光線作用進行放大的，一般是通過光照使一些物質(zhì)變成酸，然后酸再降解光刻膠的主要成分，使它們變成小分子，這些小分子很容易被洗掉從而顯示出圖案來。這里面的化學反應，很容易發(fā)生擴散，也就是產(chǎn)生毛邊。所以光刻膠研發(fā)人員一個重要的攻關方向就是減少毛邊的產(chǎn)生。各位聰明的觀眾，您知不知道用什么樣的辦法可以在納米尺度上減少毛邊的產(chǎn)生呢？請在評論區(qū)留言討論！

靈敏度，就是光刻膠對弱光的反應程度。前面提到，紫外、極紫外的光源一般強度都不太高，光刻膠能不能在不太強的光線照射下，形成清晰的圖案，是個很關鍵的指標。剛剛提到的化學放大作用，其實也是為了提高光刻膠的靈敏度而研發(fā)的。

耐蝕刻性，也是考察光刻膠的重要指標。在光刻膠上顯示圖案，并不是光刻的最終目標，最終目標是把圖案轉(zhuǎn)刻到芯片材料上，光刻膠最終是要扔掉的。要想把圖案高效保真地轉(zhuǎn)移到芯片上，除了對時刻設備、蝕刻試劑和蝕刻工藝提出高要求以外，還對光刻膠的耐蝕刻性提出了很高的要求。如果光刻膠不耐蝕刻，它背后不需要蝕刻的芯片部位也就無法得到有效保護了，刻出來的芯片自然也就不合格了。

儲存穩(wěn)定性，簡單說就是光刻膠好不好保存，能保存多長時間。顯然越容易保存，保存的時間越長越好。

光刻膠的生產(chǎn)，不僅涉及到成分和工藝的問題，還涉及到專利保護的問題。國內(nèi)公司即使知道光刻膠的配方和生產(chǎn)工藝，也不能隨便生產(chǎn)，因為會侵犯人家的專利。國內(nèi)科研單位已經(jīng)研發(fā)了很多光刻膠，但距離量產(chǎn)和實用，還有一段距離。

三、掩膜版的技術含量也很高

1. 掩膜版是芯片的絕密模板

再說掩膜版的事。掩膜版是整個芯片的機密所在，沒有掩膜版，光刻機是無法準確加工芯片的。拿走掩膜版，就可以復制任何公司的芯片，就像拿走印錢的電板可以制造逼真的假錢一樣。掩膜版就相當于照相的底片，光刻機的作用就是要把底片上的圖案印到光刻膠上。這個底片也就是掩膜版，它的制造跟芯片光刻流程相似，但比光刻工藝更難，而不是更簡單。

1. 芯片生產(chǎn)需要設計好掩膜版

掩膜版是由芯片代工廠設計出來的，首先需要拿到客戶設計好的芯片圖紙，這個圖紙是電子版的，用EDA軟件繪制。芯片代工企業(yè)需要用EDA軟件把這個文件打開，進行分析。這就是為什么大家都說除了光刻機被卡脖子以外，EDA軟件也會限制代工企業(yè)為華為服務的原因。圖紙是不能直接用來刻芯片的，必須進行識別，分層和再設計。芯片有很多不同的部件，不同部件的加工工藝是不一樣的，不可能一次完成，必須分批分步完成。這就要求把一個設計圖紙先拆分成若干層，每一層制作一個掩膜版。就好像彩色印刷需要把一張彩圖做成四種顏色的印刷版，分四次印刷才能完成一樣。

掩膜版圖案并不是設計圖紙的簡單再現(xiàn)，而是要根據(jù)實際工作經(jīng)驗對圖案進行合理修飾才行。不做修飾的掩膜版經(jīng)過光刻機的顯影以后，得到的芯片圖案會失真非常嚴重。打個簡單的比方，要想打印一個老虎的圖案，必須得用貓的相片作為參照，如果用老虎自己的相片做參照，打印出來的可能就是怪獸了。所以，制作掩膜版，不能跟圖紙設計的圖案完全一樣。必須根據(jù)光學衍射的理論，和光刻機實際失真程度的經(jīng)驗進行反向設計，把掩膜版圖案做一定的修飾，以便最終光刻出來的圖案足夠接近理想效果。這個環(huán)節(jié)對設計經(jīng)驗的要求非常高，得反復試驗才能達到最理想的效果。

除了修飾以外，掩膜板的空白區(qū)還要加上特殊圖案以便對光刻機的光刻效果進行考察。在光刻機工作的過程中，機器有沒有走神兒，會不會出現(xiàn)偏差，要有一定的監(jiān)督機制。一旦出現(xiàn)問題，要能即使糾正和修訂?？瞻讌^(qū)的圖案就是起到監(jiān)督的作用的。

設計好的圖案得轉(zhuǎn)化成光刻設備能識別的格式，傳輸給光刻設備。為了提高精度，掩膜版的光刻一般不用普通光刻機，而是用精度更高的電子束光刻設備。電子束光刻設備的精度比光刻機要高，但工作效率低，暫時不適合用到芯片生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

1. 掩膜版制造也不簡單

掩膜版的制造，跟芯片的制造類似，也是要在板子上涂上光刻膠，然后用激光或電子束顯影，最后再進行蝕刻，顯出電路圖形來。掩膜版的制造非常關鍵，因為一旦掩膜版有錯誤，后面生產(chǎn)的所有芯片都會有錯誤，損失就太大了。所以掩膜版的制作流程比芯片制作本身要更嚴格，不允許出現(xiàn)錯誤。芯片可以有個良率或合格率的問題，而掩膜版有瑕疵就得直接毀掉。

掩膜版可不是一塊木頭板，也不是一塊塑料板。而是光學性能非常好的石英玻璃，加上一層均勻的鉻金屬膜。把光刻膠均勻涂到金屬膜上，經(jīng)電子束顯影后，用試劑蝕刻掉一部分鉻金屬，顯示出電路圖案來。將來光刻機的光線就是從被洗掉的鉻金屬空格里照射過去進行顯影的。為了提高顯影質(zhì)量，掩膜版石英玻璃以外還要再加上一層調(diào)整光線質(zhì)量的光掩膜。

這種傳統(tǒng)的掩膜版是普通光刻機使用的，極紫外光刻機無法使用。因為石英吸收極紫外光，所以極紫外光刻機的掩膜版不能做成透光的，而必須是反光的。EUV專用的掩膜版，需要在基板上覆蓋一層稀有金屬釕，然后再在釕上覆蓋吸光材料TaN。制作掩膜圖案，就是要在吸光材料上雕刻圖案，利用金屬釕反光形成光刻的圖案。這種掩膜版特別愛干凈，哪怕有一丁點雜質(zhì)吸附上都不行，必須經(jīng)常清洗。此外，實際工作中，極紫外掩膜版必須在真空條件下使用，因為空氣的成分也會影響極紫外光的傳播。目前國內(nèi)還無法量產(chǎn)極紫外光刻機專用的掩膜版。

不管是光刻膠，還是掩膜版，都不是簡簡單單會生產(chǎn)就完事了。需要大量的基礎研究工作，和大量的創(chuàng)新研究，才能與時俱進。這需要有大量專業(yè)人才的儲備，所以，我們國家一定要加強基礎研究工作布局，加大基礎研究人才的培養(yǎng)。這也正是國家教育部強基計劃推出的原因之一。希望各位家長能看懂科學發(fā)展形勢，鼓勵孩子從事國家的高科技研發(fā)工作，不要因為化學考試困難就放棄化學的學習。新材料的研發(fā)離不開化學知識，國家發(fā)展也離不開化學人才。