2020-10-01 11:00

如何在纳米尺度雕刻芯片?

#知识

芯片,今天驱动我们整个数字生活运转的引擎,是人类建造出的最为错综复杂的迷宫。



只有深入到纳米尺寸,你才能看见其中盘根错节的金属公路,和一座座从硅基板上拔地而起的电子大厦。它们巧妙控制着电子的走向,共同构筑起了这座供奉信息的庙宇、崇拜计算的圣殿。



这些精细的结构是怎样在指甲盖大小的空间中搭建起来的?如何在纳米尺度雕刻芯片?


首先我们要知道,芯片里最基础的结构是晶体管,像这种鳍式场效应晶体管,由不同类型的半导体、绝缘体和金属导体堆叠而成。



可以通过在这个栅极施加电压,像开关一样控制鳍片两端电流的断开或连通,以表示 0 或 1。


这些晶体管上方还排布着一层又一层的金属导线,形成电路结构,进而实现更复杂的计算。



而这一切的起点,是普普通通的沙子。


沙子经过还原、提纯、结晶,可以将其中的二氧化硅变成单晶硅,纯度能做到 10 万吨仅含 1 克杂质,形成这样的硅锭。再经切割、抛光得到不足 1 毫米厚的薄片,称为晶圆,直径可达 12 英寸,约 30 厘米。



要想在晶圆这块地基上造出鳍式场效应晶体管,所需的工序异常繁多。


主要包括沉积,比如在晶圆表面沉积一层二氧化硅。



然后是光刻。


将光刻胶均匀涂抹在晶圆上,上方射下紫外线,经过一层光罩,只允许光线按设计好的图案通过,再经一组透镜光学系统聚焦照到晶圆上的光刻胶,被曝光的部分就会发生化学反应,在后续被溶解、冲洗,以此定义下方的图形。



之后还有刻蚀。


利用等离子体物理轰击和气体化学反应,那些未被光刻胶覆盖的氧化层会和下方的硅一起被刻蚀掉,形成凸起的结构,也就是鳍式场效应晶体管的「鳍」。



如此不断组合重复沉积、光刻、刻蚀等步骤,我们可以一步一步制作出晶体管的其他结构,并制作出上方的电路。



经过少则数百道工序,历时 3~4 个月,一片 12 英寸的晶圆可以造出约 700 块甚至更多芯片。



需要注意,芯片的性能很大程度上由晶体管的数量决定。1971 年的 Intel 4004 有 2250 个晶体管,而 50 年后, 280 亿个晶体管的芯片也已经开始走入普通家庭。



而要想在单位面积内增加晶体管数量,就意味着晶体管必须足够小,非常小。


像手机通常使用的 7 nm 制程芯片,单个晶体管栅极长度约 57 nm,鳍片厚度约 6 nm,每平方毫米就可做出约 1 亿个晶体管。



注意,这里还有个隐藏的问题。芯片制造过程中,用于绘制电路轮廓的光刻工序很大程度上决定了晶体管能有多小。


目前主流的光刻机利用波长在 193 nm 的深紫外光,可以在晶圆表面清晰成像的最小间隔尺寸,即分辨率能达到 38 nm,但 38 nm 的分辨率要如何做出 6 nm 宽的结构呢?



答案是多重曝光。


比如 SADP 自对准双重成像技术,虽然光刻的分辨率有限,单次曝光后形成的结构尺寸较大,但可以通过沉积和刻蚀,在心轴两侧形成间隔物,再由额外的刻蚀移除心轴,让间隔物定义下方的结构尺寸,大小只有原先的一半。



再重复一次还能得到只有原先四分之一大小的结构尺寸,称为 SAQP 自对准四重成像技术。



可以看出,这类方法离不开刻蚀工序的增加,正因此,近年来刻蚀机的需求也越来越高。2017 年,刻蚀机在芯片制造产线中,取代光刻机成为晶圆加工厂投资额最高的设备。



那么,刻蚀机到底是怎么工作的?


以这台国产等离子刻蚀机为例,核心在于这个真空的反应腔室。中间的卡盘利用静电吸附着晶圆,上方通入卤族气体、氟基类气体等。



在电极片产生的高频电场中,气体分子会被电离,产生带负电荷的电子和带正电荷的离子,这团混合物被称为物质在固体、液体、气体之外的第四种状态——等离子体。


事实上,你所见到的闪电、电弧、极光也都是等离子体。



而在刻蚀机里,这些高能的等离子体会轰击在晶圆表面,将原子直接打出,或发生化学反应与晶圆上的材料形成新的化合物挥发,实现刻蚀。



这个过程中有两类难点,一是严苛的均匀性控制,要知道,在 12 英寸的晶圆上,往往要同时加工近百亿个图形,整体的刻蚀必须尽可能同步,刻蚀精度要控制在几个原子层的范畴。


而这就得考虑用于激发等离子体产生的电场是否均匀,通过调整线圈的电压等参数,形成更均匀的电场。



此外,还得通过精密的流量计,从分子级别控制刻蚀气体在进气喷嘴不同位置的流量、分布,进而控制等离子体的密度。



承载晶圆的静电卡盘还需在内部分区设置加热器,对晶圆多个区域进行温度控制,以提升刻蚀的均匀性。



不仅如此,哪怕像地球磁场这种人类无法感知的因素,都会让反应室内的等离子体分布不均,需要使用特殊材料加以屏蔽。



除了均匀性,刻蚀过程还有一个难点,就是颗粒控制。


通常,等离子体与晶圆发生反应的大部分生成物会被真空系统及时排出,但仍有极少数生成物会在反应室内壁滞留,形成颗粒,落在晶圆上的颗粒将直接破坏电路甚至让芯片报废。



这些颗粒需要被控制到什么程度?


这是一个 20 nm 的颗粒,相当于新冠病毒直径的五分之一。在加工 5 nm 制程芯片时,1 片 12 寸晶圆上,直径大于 20 nm 的颗粒不能超过两个,相当于在北京五环以内的区域,最多只允许两个芝麻大小的颗粒。



所以你会发现,在这场肉眼根本不可见的雕刻过程中,芯片不仅是一个电子元件,更是人类在纳米尺度最精细的建筑艺术。


而这样一台刻蚀机也不仅仅只是制造芯片的机器设备,它更是一个整合了材料力学、热力学、流体力学、量子力学等 20 多门学科的巨大黑箱。



今天,刻蚀机已经广泛地服务于我们的生活。不仅仅是手机和电脑,还有你出行乘坐的高铁、每次的刷脸支付、疫情期间的体温测量、餐厅里的送餐机器人,哪怕是一张居民身份证里,都有国产刻蚀机默默付出的身影。



无数通过这些工艺造出来的芯片,默默地隐于黑暗之中,但只要有光线掠过它们,你就能看到这些来自远古的硅,散发出群星般的色彩。




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