大小只有髮絲直徑萬分之一的晶片怎麼造？中國靠它

請關注我們的公眾號：有色技術平台

在我們的印象里，中國的半導體產業在關鍵技術方面一直處於受制於人的局面，今年4月份的中興事件更是成為了這方面最現實的例證。

　　其實，半導體產業包括了集成電路設計、半導體設備製造、原材料、代工生產、封裝測試等多個部分，中國在整個產業鏈中還是有自己的亮點所在的，比如晶片刻蝕機。

　　（一）晶片製造中，刻蝕機究竟起什麼作用？

　　在介紹蝕刻機之前，我們先來了解下晶片製造的設計製造大概流程。

　　（晶片製造過程）

　　晶片，本質上是一片載有集成電路（IC：Integrated circuit）的半導體元件，而IC設計就是在晶片上設計電路，用來實現邏輯功能以滿足客戶的特定需求，可以說，好的IC設計是後續晶片製造的基礎。

　　除了要達到IC設計的要求外，晶片的製造還要儘量追求更小的製程（所謂晶片製程，就是電晶體中柵極的最小寬度，即柵長的數值，也就是我們經常看到的XX nm），以達到降低能耗、提高性能的目的。

而晶片的性能與電路中電晶體數量息息相關，單位面積上電晶體的數量又與晶片的製程緊密聯繫。

　　隨著技術的不斷升級（更小的製程），柵極寬度越來越窄，當製程逼近20納米時，柵極對電流的控制能力會急劇下降，出現「電流泄露」問題；當製程逼近10納米後，漏電問題就會變得十分嚴重。

而漏電率如果不能降低，CPU 整體性能和功耗控制就會變得十分不理想。

　　為了解決這一問題，新的晶片製造工藝設計應運而生，典型的代表就是鰭式場效應電晶體 (FinFET：Fin Field-Effect Transistor)。

這種新的電晶體設計使得晶片內部平面的結構變成了3D。

　　柵極形狀的改制使得接觸面積增大了，這在減少柵極寬度的同時能夠降低漏電率，並且讓電晶體的空間利用率大大增加。

　　（常用的演算晶片完成電路布局與繞線的結果與晶圓上晶片的3D 剖面圖）

　　現在，有了IC設計圖，也有方法減小更小製程帶來的漏電問題，接下來要做的，就是設計好加工的工藝流程，也就是在晶圓上把複雜的3D圖形一層一層「堆疊」起來。

　　在晶片的實際製造過程中，步驟會因為不同的材料和工藝而有所差異，不過大體上皆採用這樣的類似工藝過程，於是就需要用到光刻機和刻蝕機。

　　（晶圓上「雕刻」電路的流程）

　　首先，在晶圓表面沉積一層薄膜，緊接著再塗敷上光刻膠（光阻），這時候光刻機會按照設計好的IC電路對應製造的掩膜版（光罩）將光束打在不要的部分上，這一部分的光刻膠就會變質然後被化學藥劑清洗除去。

　　這之後，刻蝕機要按照光刻機「描繪」出來的線路進行更深入的微觀雕刻，刻出溝槽或接觸孔，然後，光刻膠被除去。

　　（晶片製造過程中用到的掩模版）

　　為了保證每次往上「堆疊」新電路的過程都能順利準確地進行，刻蝕機的加工精度必須非常高，要達到納米級。

以16納米製程的CPU來說，刻蝕過程的加工尺度為普通人頭髮絲的五千分之一，而加工的精度和重複性的誤差更需要控制在這一數值的十分之一以下。

　　（二）刻蝕機與光刻機的區別：刻蝕是如何實現的？

　　作為晶片製造過程中的兩種重要設備，刻蝕機和光刻機很容易被混淆。

　　光刻機的作用更像是雕刻之前在木板或者石板上描摹繪線，而刻蝕機則需要嚴格按照光刻機描繪好的線條「雕刻」出刻痕圖案。

所以，晶片的整個生產工藝過程是先用光刻機，然後再用刻蝕機，接下來重複地使用兩種設備，直至完整地將設計好的電路圖搬運到晶圓上。

　　目前，所有晶片巨頭制定的工藝製程的可實現性都由光刻機與刻蝕機的性能來決定，也就是說如果晶片加工廠要達到7納米這樣的關鍵技術指標，其生產過程使用到的光刻機與刻蝕機就必須具有7納米的工藝能力。

　　而高端光刻機相關技術的門檻極高，目前光刻機領域的龍頭老大也只有荷蘭的一家公司，它壟斷了高端光刻機市場，而且對於中國來說，有錢也不一定能買到（中國在其限制購買的名單中）。

　　(一台一億美元的極紫外光刻機)

　　但刻蝕機就不一樣了。

　　刻蝕機的工作原理可以分為干刻、濕刻兩大類。

其中濕刻是將矽片浸泡在可以與被刻蝕膜層反應的化學液體中，除去不需要的部分，是早期工藝採用較多的方法。

不過，濕刻不可避免的會在刻蝕的側壁形成橫向鑽蝕，無法很好的控制線寬，所以，在工藝達到微米級以後，生產中更多的是採用沒有液體參與的干刻技術。

　　（等離子體刻蝕的基本機制）

　　這其中，等離子體刻蝕是最常用的干法刻蝕技術。

它主要利用了等離子體的兩個特性：強化學活性及高選擇性。

通過選擇合適的氣體，它就能將被刻蝕材料快速反應，實現刻蝕的目的。

　　另外，等離子體的能量很高，當離子轟擊被刻蝕物的表面時，會將被刻蝕物材料的原子擊出，從而依靠物理能量的轉移來實現刻蝕。

　　等離子體刻蝕技術在上世紀80年代就廣泛的應用到了集成電路領域中，但由於刻蝕時具有複雜的物理和化學過程，加上需要用到電感耦合等離子體源等核心部件以及高真空度來保證等離子體的質量，所以這種儀器仍然是有技術門檻的高科技儀器。

　　以往的國際市場上，刻蝕機主要都是國外企業製造，而且這些巨頭為了謀求更大的利益已經開始走向合併，一旦格局成型，就可能演變為光刻機那樣一家獨大的局面。

　　所幸的是，現在來自國內的半導體設備企業已經迅速崛起，在刻蝕機這一塊也有了可以參與國際競爭的玩家。

　　（三）高端設備製造門檻高，中國自主研發出7納米刻蝕機

　　刻蝕機製造是一個系統性的工程，對於刻蝕機這種加工精度極高的設備，其對機械精度要求很高，這既需要用到精密加工工具機等設備，同時等離子體源等核心部件的設計也都會影響到設備的精度。

　　在巨頭林立的國際市場中，國內的企業想要獲得一席之地，必須要有過硬的核心技術。

目前，中國已經具備7納米刻蝕機的實際使用能力，而且基本上掌握了最先進的5納米工藝技術。

　　這是中國第一次做出了能與世界最先進水平同步的刻蝕機，而且，在刻蝕機核心部件方面也有著獨特的技術優勢。

比如作為7納米刻蝕機核心部件的氣體噴淋盤，中國研製了等離子體增強的物理氣象沉積金屬陶瓷材料，大幅增強了氣體噴淋盤材料的性能。

這種噴淋盤相比國外當前採用的不僅造價更低，壽命還更長。

　　（中國自主研發的等離子體刻蝕機）

　　正是由於自主研發生產出了具有國際競爭力的等離子光刻機，美國隨之把等離子刻蝕機從對中國控制的單子上去掉了，不過這種遲到「施捨」我們已經不需要了，國內的半導體企業還需要繼續加力，突破更多技術難關，讓國外有機會向中國「解禁」更多的名單。

　　結語：

　　半導體的生產和進步需要技術的積累和支持，作為看官和參與者，我們需要對中國製造有信心的同時持理性態度，目前中國製造的水平既不是一刀切的全球頂端，也不是無腦黑的毫無是處，它需要時間來登頂。

來源：了不起的中國製造