摘要：芯片制造用到的技術很多，光刻是芯片制造的靈魂技術，但是開始的時候，光刻并不是所有技術中最厲害的。現在大眾認識到了芯片的重要性，討論芯片產業的卡脖子問題時，提到最多的是光刻和光刻機。那么，光刻是如何一步一步變成了芯片制造的卡脖子技術？本文試圖一探究竟。
光刻技術是利用光學和化學反應的原理，以及利用化學和物理的刻蝕方法，把電路圖形制作到半導體基片、或者下一層介質材料之上，經過有序的多次光刻工序疊加，最終把立體的電路結構制作在半導體基片上，形成完整功能的芯片。
圖1.光刻工藝過程的示意圖
圖1是光刻工藝過程的示意圖。假設要在硅（Si）基片上光刻一個二氧化硅（SiO2）的T形圖案，大致要經過6個工序。在光刻之前，首先在Si基片上生長一層SiO2層，然后從光刻膠的涂膠開始，經歷涂膠、曝光、顯影、除膠、刻蝕、除膠等步驟。從圖上可以看到，第4步以及之前的過程為下一步刻蝕SiO2層上要去除的區域劃定了范圍。第5步是實際的加工過程——刻蝕，第6步是收尾過程，目的是清除SiO2的T形圖案上不需要的光刻膠。因此說，光刻有兩個階段，一是劃定范圍，二是針對劃定范圍進行實際加工。
上述的光刻工藝過程與傳統照相的曝光和洗相過程很類似，理解起來并不困難。但是照相是一個過渡性的光學和化學反應過程，并且過渡性的層次越多，照片影像就越細膩越好。而光刻是一個突變性的光學和化學反應過程，要求突變盡可能快，圖形邊界越清晰越好。為了追求邊界越清晰、線條越細致的目標，光刻技術走過了漫長的技術創新之路。
圖2.多次光刻工序“堆疊”形成立體的電路結構
圖2是多次光刻工序“堆疊”形成立體的電路結構的示意圖。圖2（a）是一個晶體管的版圖。版圖按照制造工藝被拆分為至少5層掩膜版，如圖2（b）所示。芯片制造過程中要為每一層掩膜版安排一次光刻工序，經過5次光刻工序后，立體的晶體管就“堆疊”而成了，如圖2（c）所示。
通俗地講，芯片制造就是在半導體基片上，用光刻在一層材料上“雕刻”形成特定圖形，一層一層的光刻實際上是縱向“堆疊”這些圖形，組成立體的晶體管、電路元件和連線等，最終形成具有完整電路功能的芯片。
一、為什么說光刻技術是靈魂技術？
光刻技術是芯片制造中的靈魂技術，如果沒有它的存在，芯片技術就不可能存在并快速發展。光刻之所以是靈魂技術，因為光刻要為其它芯片加工技術劃定加工范圍，光刻就像槍炮的瞄準裝置一樣重要。其它加工技術不論多么復雜、多么高難度，也只有在光刻存在的前提下才能發揮作用。例如，要依賴光刻確定晶體管的多晶硅柵（Poly Gate）和金屬連線（Metal）的圖形、位置和走向等；要依靠光刻為擴散區（Diffusion）、注入阱（Implant Well）、上下層過孔（Via、Contact）打開加工窗口等。所以，沒有光刻技術其它加工技術就無從談起。
從芯片的設計數據傳導到芯片制造的過程來看，傳導路徑非常清晰，那就是芯片設計版圖 -> 掩膜版 -> 光刻 -> 加工。一顆芯片的設計版圖要按照制造工藝分解為一套多張（層）的掩膜版，每張掩膜版對應著一次光刻和加工過程。所以，光刻是芯片制造的靈魂技術。
進入二十一世紀，隨著半導體技術的發展，光刻的精度不斷提高，已由微米級、亞微米級、深亞微米級，細化到目前的納米級，光刻用的光源也從常規光源發展到應用電子束、X射線、微離子束、激光等新技術，光刻成為最精密的微細加工技術，也是芯片制造最為關鍵的技術。如果光刻的核心設備、材料等被個別國家壟斷和管控的話，光刻技術就成了“卡”其他國家芯片產業“脖子”的關鍵核心技術。
二、芯片制造中還要用到哪些技術？
芯片制造除了用到光刻技術，還有很多其它技術，例如刻蝕、氧化、擴散、淀積、離子注入等。1.刻蝕是用化學或物理方法有選擇地從半導體材料表面去除不需要的材料的過程，光刻和刻蝕結合起來，就可以在半導體材料上正確地復制掩模版上的圖形；2.氧化是在指定區域生成一層氧化膜；3.擴散是對指定區域定量摻入其它元素原子，改變該區域的電性能；4.淀積是在指定區域沉積一層氧化硅、碳化硅、多晶硅等半導體材料薄層；5.離子注入是向指定區域定量注入雜質的原子或粒子，使該區域的電性能發生變化。與擴散相比，離子注入沒有外溢效應，離子注入深度和注入量比較好控制。
在芯片技術發展早期，光刻并不是所有技術中最厲害的。受制于原始簡陋的掩膜版制作和制造工藝，芯片工藝采用毫米級、微米級，因而芯片上集成的晶體管等電路元件的數量也極其有限。所以，光刻采用人工（或計算機輔助）刻紅膜、微縮照相制版、傳統光源曝光等簡單方式還是可行的。但是刻蝕、氧化、擴散、淀積、離子注入等技術相關的設備、材料、控制等技術問題反而更難把握，當時這些技術成為芯片制造中最受關注和大力創新的方向。
三、芯片技術經歷了哪些發展階段
芯片制造技術伴隨光刻技術一路走來，大致經歷了非常原始的“石器”時代，走過了用計算機輔助的半自動化時代，隨后進入了EDA全自動化時代。我國芯片技術與國外大致同時起步，由于眾所周知的原因，我們的發展階段基本落后于國外約10年的時間。改革開放以來，我們加快了學習和趕超的步伐，目前，我國光刻技術的應用水平基本與國外保持同步，但核心技術和設備基本依賴于國外。
芯片的“石器”時代（國外1958～1975年前后，國內1958～1985年前后）。之所以稱為芯片行業的“石器”時代，是因為芯片設計工具和制作光刻掩膜版的方法十分原始。這個時期，芯片設計時用到了普通坐標紙，如圖3（a）所示，版圖由手工繪制；制作掩膜版時用到紅膜（Rubylith），如圖3（b）所示。紅膜是透明基片上附有極薄紅膜，紅膜遮光性強，如果切開紅膜某個圖形的邊界（不切斷基片），圖形外的紅膜就可以從透明基片上揭掉，圖形外的區域就變成透明，紅膜保留的地方作為遮光部分，可制成過渡掩膜版。它再經過微縮照相制版，最終制成工作掩膜版。
圖3.早期用坐標紙畫芯片版圖、人工刻制和檢查過渡掩膜版（紅膜）
當時人們設計芯片時，首先要在坐標紙上畫出芯片版圖，版圖上不同的圖層采用不同線條或陰影線來表示，這個過程稱為設計版圖或者畫版圖。然后，再把坐標紙上的版圖按1:1的比例分層復制到不同張的紅膜上去，然后手工刻掉紅膜上不需要的部分，只保留版圖上的圖形，這個過程稱為刻紅膜。多層紅膜構成了芯片的一套過渡掩膜版。
由于過渡掩膜版的尺寸較大，要經過多次微縮照相，最后把過渡掩膜版上的圖形縮小并復制到工作掩膜版上去。工作掩膜版是用非常平整的石英玻璃板上鍍一層鉻膜制造而成。紅膜上的圖形與鉻膜上的圖形完全相同，比例不同。有鉻膜的地方不透光，沒有鉻膜的地方透明。工作掩膜版是制造芯片時在光刻工藝中用到的掩膜版。
在芯片制造的“石器”時代，芯片版圖靠手工繪制，紅膜上的圖案靠人工刻出，不可能設計和制造出規模很大的芯片，這種小規模（SSI）芯片上集成的晶體管數大約在幾十～幾百只之間。1971年Intel推出全球首個4位中央處理器（CPU）芯片4004。它集成了2250只晶體管，采用10μm工藝，這已經是當時規模很大的芯片了。4004芯片內部照片如圖4所示。該芯片的掩膜版是否是用人工刻紅膜的方式制作，筆者無法確定。如果是用人工方式刻紅膜，那么它的工作量是十分巨大的，但也是可行的。想想當年我國研制兩單一星時，滿屋子的人打算盤計算原子彈爆炸數據的情景，這都不算事兒！
圖4. Intel4004處理器芯片的內部照片（資料來源：sisite.tw）
2.計算機輔助的時代（國外1975～1990年前后，國內1985～1995年前后）：這個時期人們設計芯片時，既可以用坐標紙畫版圖，也可以在電腦上設計版圖，坐標紙上的版圖要通過數字化儀（Digitizer）輸入到計算機中，計算機中的版圖可以在電腦屏幕上檢查或修改（例如L-EDIT軟件等），或者進行晶體管等電路器件的模擬（例如SPICE軟件等）。最后電腦控制繪圖儀繪制版圖以供檢查或存檔，或者通過刻圖機刻紅膜，最后經過微縮照相，把過渡掩膜版轉換成工作掩膜版。
圖5（a）是Tanner Research公司版圖編輯軟件（L-EDIT）的用戶工作界面，版圖中不同的掩膜層用不同的顏色或填充圖案表示。圖5（b）是設計人員利用L-EDIT在電腦上繪制和檢查芯片版圖的場景。
圖5.利用L-EDIT軟件在電腦上設計版圖
1974年，Intel推出了8位CPU芯片8080，它采用6μm工藝制造，其上集成了6000多個晶體管。圖6（a）是8080處理器芯片的內部照片。圖6（b）是Intel三位創始人與8080CPU的一張掩膜版（紅膜）合影留念。圖6（c）是8080 CPU的封裝外觀圖。
圖6. Intel三位創始人在8080CPU的一張掩膜版（紅膜）后面合影（從左到右是安迪。格羅夫、羅伯特。諾伊斯、戈登。摩爾，資料來源：sisite.tw）
3.設計自動化時代（國外1990年～今天，國內1995年～今天）：這個時期，人們普遍采用電子設計自動化（EDA）軟件，在電腦上完成芯片邏輯設計、模擬仿真和版圖設計等，設計數據送到制造廠，通過自動化設備完成芯片掩膜版的制作，最后整套掩膜版將用于芯片制造中的各道光刻工序。
這個時期，多家EDA公司通過不斷整合、兼并和重組，大浪淘沙，形成了目前國外EDA軟件廠商的三巨頭，出現了Synopsys、Cadence和MentorGraphics三家獨霸世界EDA軟件市場的局面。他們先后于1990年～1995年進入中國市場，加快了中國芯片設計產業的發展。這個時期的芯片制造工藝沿著摩爾定律快速迭代和升級，工藝特征線寬由0.35μm縮小到今天的5nm。這些進展的兩大關鍵支撐條件一是EDA軟件，二是光刻機。
圖7.自動化生產線上用的光刻掩膜版
圖8.全流程EDA軟件設計芯片的圖例
現在的芯片設計過程，從芯片的功能設計，到電路結構設計，再到芯片版圖的物理實現，全部借助于EDA軟件來完成，其中還包括復雜而精確的設計檢查、模擬仿真等，可以保證容納了上百億只晶體管的芯片設計萬無一失。
現代光刻技術中，掩膜版制作實現了由EDA軟件輸出數據->掩膜版制作的自動化，光刻過程實現了由光刻機、刻蝕機實現的自動化。目前ASML EUV光刻機已實現了7nm、5nm工藝，正在研制的新一代EUV光刻機可實現1nm工藝。因此，今天的芯片技術處在一個全自動化的設計和制造的時代。
四、摩爾定律使光刻技術成為王者
在芯片技術的三個發展階段中，光刻技術的原理是簡單明了的，始終保持不變，變化的是光刻線條更細，光刻精度更高。人們對芯片更小、更快和更好的需求，是推動光刻技術創新發展的唯一動力，而發展規律則是摩爾定律。
摩爾定律預示著每兩年不到的時間里，芯片集成度就要翻倍，在保證芯片面積不變的情況下，制造工藝的特征線寬就要減半或縮小。必然要求光刻精度不到兩年時間要提高一倍，對光刻技術和設備都提出了嚴苛的要求。
圖9.芯片制造工藝節點圖譜（資料來源：m.sohu.com）
從圖9芯片制造工藝節點圖譜，大致可以看到光刻機及光刻技術逐年進步的影子，也可以感受到正是摩爾定律把光刻技術一步一步推到越來越重要的地位。進入14nm工藝節點以后，光刻機技術難度陡然上升，ASML EUV光刻機的售價達到1.2億美元，光刻機設備成本占到所有制造設備成本的35%，光刻工序占到所有制造工時的40%左右。光刻技術成為芯片制造中真正的王者，因而成為芯片制造中最容易被“卡脖子”的技術。
結語：芯片產業沿著摩爾定律的規律一路走來，制造工藝特征線寬跨越當前的7nm、5nm、3nm的節點后，光刻技術將面臨著物理極限的挑戰，光刻技術成為了芯片產業中的技術王者。由于光刻技術和設備主要被外國公司壟斷，光刻成為我國芯片產業的卡脖子技術。如何解決這個卡脖子問題，需要國家大力扶持和科技人員的艱苦努力。同時，還必不可少地需要較長時間的技術積累。