半導體工程師 2024-02-17 09:17 北京
01
繪制精細電路的第一步
金屬-氧化物半導體場效應半導體（MOSFET）的革命，讓我們可以在相同面積的晶圓上同時制造出更多半導體。MOSFET體積越小，單個 MOSFET的耗電量就越少，還可以制造出更多的半導體，讓其發揮作用，可謂是一舉多得。可見，制造更小的MOSFET成了關鍵因素，并且想制成微細的電路，第一步就是“繪制”。
我們以餅幹烘培做比喻來說明一下。假設想在面餅上壓出數百個“幸福之翼”形狀的餅幹，一個一個做顯然是很費力的，那要采用什麼樣的方法呢？
▲ 圖1: 在面餅上快速壓出相同造型餅幹的方法
最好的辦法就是利用模具，先把面餅擀平擀寬烘培後，用餅幹模具（印章）壓出想要的形狀來。這樣一來，一次壓出100個餅幹也不會太吃力。
再想一想，如果想把做好的餅幹賣給孩子們，就得把餅幹做得更小，那要怎麼辦？當然，餅幹模具就要變得更小。本篇文章的主角就是相當于“餅幹模具”的“光刻機”。半導體制造與餅幹烘培的最大差別在于，MOSFET越小，在相同面積的晶圓上，就可以制造出越多的MOSFET，這也就越受客戶的青睐。兩個小的MOSFET遠比一個大的MOSFET更實用。
半導體的制造其實就是不斷重複上述工藝。繼續以做餅幹為例，如果糕點師想給“幸福之翼”餅幹上色，要怎麼辦？
▲ 圖2: 給“幸福之翼”餅幹上色的順序
▲ 圖3: 如果能成批向數十個餅幹噴塗色素，速度就會更快。
圖2和3揭示了快速做出更多餅幹的方法：先在面餅上壓出許多造型相同的餅幹，然後遮蓋不想上色的部位，再向整個面餅噴塗色素。這樣就可以輕松快速地做出特定造型和顔色的餅幹了。說到這裡，也許善于思考的讀者就要發問：這麼多的雙翼内側黑色遮蓋物（見圖3），要怎麼制作？下面我們會說到這一點，這其實就是光刻工藝的核心。
餅幹隻有面餅和色素（紅色、橘黃色）兩層，但半導體結構卻複雜得多，由數十層堆疊組成：包括電子元件層還有層層堆疊的金屬布線層等。這也是我們說光刻是半導體制程關鍵工藝的原因。
02
模具的制作過程：光刻工藝
半導體制造商把上面我們所說的制作餅幹模具（遮蓋物）的過程叫做光刻工藝。光刻工藝的第一步就是塗覆光刻膠（Photoresist）。光刻膠經曝光後化學性質會發生變化。具體而言，就是在晶圓上塗覆光刻膠後，用光（雷射）照射晶圓，使光刻膠的指定部分的性質發生改變。
▲ 圖4: 光刻工藝基本步驟
如果直接用雷射照射整個晶圓，那麼光刻膠的所有部分都會發生質變，是以需要使光源通過特定形狀的母版，再照射到晶圓上，這個母版就叫掩模版（Photomask）。光源通過掩模版照射到晶圓上，即可将掩模版的圖案轉印到晶圓上。
在晶圓上繪制圖形後，還要經顯影（Develop）處理，即在曝光後，除去曝光區光刻膠化學性質發生變化的部分，進而制作出所需的“餅幹模具”。簡言之，光刻工藝可以概括為使光源通過掩模版照射到塗敷光刻膠的晶圓表面，以将掩模版圖形轉印到晶圓上的工藝。
03
光刻膠（Photoresist）
如上所述，光刻膠經曝光後，其化學性質會發生改變。更準确地說，經曝光後，光刻膠在顯影液中的溶解度發生了變化：曝光後溶解度上升的物質稱作正性光刻膠（正膠），反之則為負性光刻膠（負膠）。為了更好區分，我們可以把最直覺可見的物質了解為正膠。正膠經顯影處理後，被曝光的區域溶于顯影液，在後續的刻蝕、沉積等工藝中，質變的部分會被刻蝕去除掉，而沒有被曝光部分不會受後續工藝的影響。
半導體制造商一般會根據工藝的目的選擇合适的光刻膠。例如，負膠經曝光而固化的部分，在顯影過程中，因吸收部分顯影液而容易膨脹、變形，不适合繪制精細圖形。是以，繪制精細圖形通常采用正膠。但負膠卻具有成本低以及在刻蝕（Etching）工藝中抗刻蝕能力更強的的優點。
▲ 圖5: 正性光刻膠（正膠）與負性光刻膠（負膠）。
選好光刻膠後，就得用塗布機（Coater）塗抹光刻膠。通過塗布機的高速旋轉，滴落到晶圓的光刻膠可均勻伸展到整個晶圓表面。
光刻膠塗好後，應去除沾染在晶圓背面或邊緣的多餘膠水，再放入烘箱内加熱烘烤，使溶劑蒸發，為下一道工藝做準備。
随着時代的發展，光刻膠的結構也變得越來越複雜。我們通常說“塗覆光刻膠”，但其實，大部分的光刻膠并不是一層，而是多層結構。底部抗反射塗層（BARC，Bottom Anti-reflective Coatings）就是其中的一種。随着微細化技術的進一步更新，光刻機照射的光在晶圓表面被反射，進而影響到圖形的繪制。為解決這一技術問題，在塗覆光刻膠前，可先将抗反射塗層塗覆在晶圓表面，以減少底部光的反射（因塗覆在光刻膠的底部，故稱為Bottom）。此外，随着以水為媒體的浸沒式光刻裝置ArF Immersion1問世，可以抖出水分并且不會損傷的防水塗層（頂部抗反射塗層，Top Anti-Reflective Coat）便應運而生。
在此我們要把重點放在了解如何克服引進新技術後的新挑戰。以EUV光刻機2為例，高能量的極紫外線擊中光刻膠并發生反應後會污染掩模版。為解決這一技術難題，一方面應深入研究光刻膠材料，另一方面要通過引進掩模版保護膜（Pellicle）解決這一問題。
1ArF浸沒式光刻機（ArF immersion）：以水取代光刻機内光的媒體（空氣），進而進一步改善性能
2EUV光刻機：采用極紫外線繪制超精細圖形的光刻機
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掩模版（Photomask）
▲ 圖6: 光刻機運作圖示
塗覆好光刻膠後，下一步就是在光刻膠上繪制圖形。為此，需要一種名為掩模版的透明版。掩模版分為光可通過的透明區和遮光的不透明區。光源通過掩模版把圖形投射到光刻膠上，進而将掩模圖形轉印到晶體上。設計掩模圖形時會考慮光的幹涉效果，是以，掩模版的圖形與我們實際想繪制的圖形會有所不同。
掩模版的圖形設計其實就是半導體設計，這決定了半導體的用途。比如，用于DRAM、NAND閃存等存儲器制造的掩模版會有很多肉眼看不到、非常有規律的重複的圖形；而用于CPU、GPU等邏輯半導體（Logic Semiconductor）的掩模版，結構則相當複雜。
此外，半導體制造需要多個掩模版。使用掩模版曝光後，在随後的刻蝕、沉積和氧化工藝中再經多種處理，然後再重複上述過程，堆疊半導體的下一層。可見，所謂“設計”，其實就是為賦予晶片一定功能，不斷制作用于繪制半導體各層的掩模版的過程。
掩模版是事先預備好的。是以，下一步就是找準曝光的起始位置，即對準（Alignment）。在之前的文章中我們也說過，在半導體制程工序中，光刻工藝可能需要反複數十次。半導體内細微圖形的間隔僅為數十納米，是以，誤差一旦累積數十次，就很可能造成嚴重不良。是以，需要在曝光之前，尋找在前端工藝已形成的對準标志（Alignment Mark）。
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曝光（Exposure）
終于到了曝光階段，這是實際投射光源的階段。把光（雷射）投射到晶圓一個晶片大小的狹窄區域，待曝光一定時間後，光刻機将向旁邊稍加移動，重複上述過程。
光刻機分辨兩物點的能力叫做“物鏡的分辨能力（鑒别率）”。物鏡分辨能力的公式為d=λ/(2NA) （λ：入射光的波長，NA：表示物鏡的數值孔徑）。物鏡的分辨能力越高，兩物點間最小距離d越小，即兩物體仿佛重合為一個物體，很難分辨。是以，掩模版繪制再精細的版圖也無法轉印到實際的晶圓表面上。
可見，降低分辨能力非常重要。上述公式給我們揭示了兩種方法：一是通過調節入射光的波長來克服。增加雷射的能量可縮短入射光的波長。我們經常在新聞中聽到的極紫外線（EUV，Extreme Ultraviolet Lithography）光刻機正是通過将深紫外線（DUV，Deep Ultraviolet Lithography）光刻機的波長縮短至1/14（=提高光能），實作精細圖形繪制的；另一方面，還可通過提高物鏡的數值孔徑（NA）來尋找突破口。提高光源鏡頭數值孔徑，或使用高折射率的媒體增加物鏡的數值孔徑。高數值孔徑極紫外線（High NA EUV）光刻機就是采用了提高光源鏡頭數值孔徑的方法，而常用的深紫外線光刻機（ArF immersion）則采用了高折射率媒體的方法。
物鏡的數值孔徑其實很難直覺去了解，<圖7>揭示了一種相對較通俗的了解方法。相信讀者可以從中了解光源鏡頭變大，分辨率就會提高（變小）的原理。
▲ 圖7: 物鏡的數值孔徑與物鏡的分辨能力
尋找光刻機的光源可非同小可。直到21世紀初，科研人員們還在不斷發現更好的光源。但從找到193nm的氟化氩（ArF）雷射，到發現13.5nm的極紫外線作為光源，科學家們足足花了10多年的時間。這主要緣于光的性質，光的波長越短，越不容易發生折射，且容易被材料吸收。
此外，曝光對半導體的生産量也非常重要。從上述講解中可以看出，曝光與氧化工藝不同，無法同時處理數十個晶圓，即無法打造可以一次處理直徑為300mm的晶圓的均勻光源，光刻機每次隻能曝光1~4個晶片。最新版光刻機每台約1000億韓元以上，相當昂貴，但每小時也隻能處理100張左右的晶圓。僅投入到曝光工藝的資金就是氧化工藝的12倍*。對于極紫外線來說，與其說“是否能作為光源”重要，不如說“是否能提高處理量，實作商業價值”更加重要。為解決這一問題，不僅要從光源入手，還要從材料方面入手，尋找對少量光也能敏感反應的光刻膠材料。
曝光結束後，就要檢測晶圓的套刻（Overlay）誤差。套刻，是為測量光刻機的對準精度而在晶圓上做的小辨別。每次曝光時圍繞同一個中心，以不同大小的标記套刻辨別，就可測量曝光的對準程度或晶圓是否有所偏離等。但套刻工藝與對準（Alignment）工藝不同，不會檢測每一個晶圓的套刻精度。
*https://www.semiconductors.org/wpcontent/uploads/2021/05/BCG-x-SIA-Strengthening-the-Global-Semiconductor-Value-Chain-April-2021_1.pdf
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顯影（Develop）
光刻膠曝光後，曝光區光刻膠的化學性質會發生改變。這些變質的光刻膠要用顯影液溶解後去除，這一工藝被稱作顯影（Develop）。
當然，在進入顯影工藝前，要把晶圓放入烘箱烘烤，這樣可以進一步促進曝光區光刻膠的性質變化，這一過程被稱作曝光後烘烤（PEB，Post Exposure Bake）。
經PEB後，在晶片塗覆顯影液，去除變質的光刻膠部分，必要時還可進行清洗（Rinse）。清洗時，要根據光刻膠的材料選擇合适的清洗溶液。而清洗裝置也是種類繁多，且往往要在處理速度和良率之間做權衡。
經上述一系列過程，半導體的“餅幹模具”終于制成了。最後，在這“模具”的縫隙塗覆所需的材料，或削減不需要的部分等，經一番完善工作後在表面雕刻半導體和金屬布線即可。
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光刻機的發展與縱向思考
從上述對光刻工藝的講解中，相信讀者已經明白以死記硬背的方式去學習一門技術有多麼地徒勞。在193nm的氟化氩（ArF）雷射光源遇到瓶頸時，科學家們還沒有發現EUV，但微細化的腳步又不能停止。是以，研究人員們就試圖縮短相同光源的波長，進而研發出了氟化氩浸沒式光刻機，進而使半導體行業向100nm以下級别邁出了一步。當然，這不是僅通過光刻工藝就可以解決的，還需要前後端工藝的共同努力。
▲ 圖8: 為研發ArF浸沒式光刻機所引進的新技術
使用浸沒式光刻裝置，就要在晶圓上滴落高折射率的液體（水）。問題是半導體工藝非常精細，小小的誤差也會“釀成大錯”，比如，液體的不純物有可能導緻半導體産品的瑕疵，或光刻膠被水溶解後被清洗掉等。為攻克這些技術難關，人們進一步研發了可以制成高純度水的技術以及在光刻膠上形成易去除的防水塗層的技術。在光刻膠上新塗覆了一層防水層後，顯影工藝當然也要相應做出改變。
這些改變，需要由半導體行業持續努力解決。最近，SK海力士與材料公司聯手，共同研發了幹法光刻工藝流程*。
我們在前一篇（氧化工藝）中也曾說到，幹法工藝，顧名思義就是沒有水的介入。也就是說，這是一種與之前完全不同的嶄新工藝技術。它像沉積工藝那樣在光刻膠表面上形成薄膜，在顯影過程中也不清洗。需研發這些技術的理由不勝枚舉，但最重要的，就是微細化水準已經達到了極緻，光刻機繪制出的精細圖形，在塗覆和清洗光刻膠的過程中會被破壞。
*https://www.prnewswire.com/news-releases/lam-research-teams-up-with-sk-hynix-to-enhance-dram-production-cost-efficiency-with-breakthrough-dry-resist-euv-technology-301567359.html
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結語 ：成功繪制不等于結束
在本篇文章中，我們快速浏覽了光刻工藝，通過該工藝，圖形的繪制已經完成。下一步就需要在繪制的圖形上添加點什麼或削減不需要的部分。雖說光刻工藝很重要，但也不能忽視其他工藝。因為制作微細模具（光刻工藝）和利用這個模具完成所需的操作可是完全不同的問題。
（文章來源：SK海力士）