序言

這是一顆華為麒麟990 5G芯片克蝶，它的芯片面積約為113平方毫米僻携，大概也就是咱們指甲蓋大小，而它的上面卻集成了103億晶體管搔肉。

那么工程師們蓉止，是如何在這么小的地方上集成這么多晶體管律跺？在芯片制造時(shí)都用到了哪些高精尖的技術(shù)？

我知道你們想說(shuō)光刻機(jī)溶绢，光刻機(jī)確實(shí)很重要侦镜！但是還有很多核心材料也是需要的。

這一期小鯨給大家介紹一種材料劫扶，它就是光刻膠翠霍！

 

光刻膠

光刻膠又名"光致抗蝕劑"，它是一種在紫外光等光照或輻射下竟块，溶解度會(huì)發(fā)生變化的薄膜材料壶运。

具體來(lái)說(shuō)蒋情，它的工作機(jī)制是這樣的：

在光刻圖案化工藝中，首先將光刻膠涂在硅片上形成一層薄膜耸携。接著在復(fù)雜的曝光裝置中棵癣，光線通過(guò)一個(gè)具有特定圖案的掩模投射到光刻膠上。

曝光區(qū)域的光刻膠發(fā)生化學(xué)變化夺衍，在隨后的化學(xué)顯影過(guò)程中被去除狈谊。最后掩模的圖案就被轉(zhuǎn)移到了光刻膠膜上。而在隨后的蝕刻 或離子注入工藝中沟沙，會(huì)對(duì)沒(méi)有光刻膠保護(hù)的硅片部分進(jìn)行刻蝕河劝。

最后洗去剩余光刻膠赎瞎。

這時(shí)光刻膠的圖案就被轉(zhuǎn)移到下層的薄膜上，這種薄膜圖案化的過(guò)程經(jīng)過(guò)多次迭代塌或，聯(lián)同其他多個(gè)物理過(guò)程癣吝，便產(chǎn)生集成電路。

有同學(xué)會(huì)問(wèn)了缚形，那光刻機(jī)和光刻膠之間是啥關(guān)系呢体涡？

小鯨來(lái)給大家科普下：

光刻機(jī)是設(shè)備超瞧，光刻膠是材料。它們兩者共同點(diǎn)轰窥，都是芯片生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的東西迈竖。

舉個(gè)形象的比喻：

如果說(shuō)光刻機(jī)是推動(dòng)制程技術(shù)進(jìn)步的“引擎”临辰，那么光刻膠就是這部“引擎”的“燃料”。

大家可千萬(wàn)別小看它哦讲媚，它可是光刻技術(shù)中亏乞，涉及到最關(guān)鍵的功能性化學(xué)材料！

 

光刻膠分類

在芯片制造工藝中有40-50%的時(shí)間是在光刻過(guò)程中裆操，這個(gè)過(guò)程不光需要光刻機(jī)怒详，還要在硅片上涂一層光刻膠，光刻膠的質(zhì)量決定了光刻精度踪区。

簡(jiǎn)單的說(shuō)缎岗，你就算有最牛的極紫外光EUV光刻機(jī)静尼，沒(méi)有好的光刻膠，你的光刻精度還是不行传泊∈竺欤可以說(shuō)它直接影響集成電路的性能、成品率以及可靠性眷细。

所以光刻膠是至關(guān)重要的拦盹。

按照曝光波長(zhǎng)分類，光刻膠可分為 ：

UV: i/g型光刻膠溪椎，也就是波長(zhǎng)大于300nm普舆。

DUV: KrF型光刻膠，也就是波長(zhǎng)248nm, 和ArF型光刻膠校读，也就是波長(zhǎng)193nm速痹。

極紫外: EUV光刻膠，也就是波長(zhǎng)進(jìn)一步降低至28納米以下绳练。

不同曝光波長(zhǎng)的光刻膠候钟，其適用的光刻極限分辨率也不同，通常來(lái)說(shuō)盾峭，在使用工藝方法一致的情況下滤萝，波長(zhǎng)越小稿纺，加工分辨率越佳。

對(duì)于半導(dǎo)體領(lǐng)域來(lái)說(shuō)碗履，再好的創(chuàng)意谭驮，再牛的設(shè)計(jì)。到了制造階段勾萌，都逃不過(guò)工藝設(shè)備和材料齐秕。

設(shè)備方面大家都知道的，諸如光刻機(jī)仙蛉，蝕刻機(jī)等等笋敞。

那么材料方面呢？

半導(dǎo)體材料它包含硅片荠瘪、光刻膠夯巷、光掩膜、濺射靶材哀墓、CMP 材料趁餐、電子特氣、濕化學(xué)品 篮绰、石英 等 細(xì)分子領(lǐng)域后雷。

而根據(jù)全球半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，光刻膠在半導(dǎo)體材料價(jià)值中占比近6%吠各，光刻輔助試劑占比7.4%臀突，二者共占13.4%。繼硅片和電子氣體之外的第三大半導(dǎo)體材料走孽。

光刻膠廣泛用于印刷電路和集成電路的制造伶葵，以及半導(dǎo)體分立器件的微細(xì)加工等過(guò)程承蠕。

 

光刻膠工作流程

那么光刻膠的生產(chǎn)工藝，具體是怎么樣呢蕴续？

它的主要過(guò)程是將感光材料扳啃、樹脂、溶劑等主要原料在恒溫恒濕1000級(jí)的黃光區(qū)潔凈房進(jìn)行混合贰宰，在氮?dú)鈿怏w保護(hù)下充分?jǐn)嚢栉；椋蛊涑浞只旌闲纬删嘁后w。

經(jīng)過(guò)多次過(guò)濾，并通過(guò)中間過(guò)程控制和檢驗(yàn)哪趟，使其達(dá)到工藝技術(shù)和質(zhì)量要求质瘸，最后做產(chǎn)品檢驗(yàn)女饺，合格后在氮?dú)鈿怏w保護(hù)下包裝、打標(biāo)磨爪、入庫(kù)儒恋。

而且單單裝光刻膠的箱子也要做定制，確保箱子材料不會(huì)影響光刻膠黔漂。這個(gè)要做很多實(shí)驗(yàn)诫尽，而且反復(fù)驗(yàn)證才可以，每開發(fā)一個(gè)試驗(yàn)品都要保存樣本和實(shí)驗(yàn)材料炬守，結(jié)果是需要很大的特殊的倉(cāng)庫(kù)來(lái)保存這些樣品才可以牧嫉。

光刻機(jī)核心技術(shù)

光刻膠的核心技術(shù)有哪些呢？

它包括配方技術(shù)劳较，質(zhì)量控制技術(shù)和原材料技術(shù)驹止。

其中配方技術(shù)是光刻膠實(shí)現(xiàn)功能的核心，就像咱們做菜观蜗，要有食譜配方一樣臊恋。

高品質(zhì)的原材料則是光刻膠性能的基礎(chǔ)。就像咱們食譜有了墓捻，下一步是啥抖仅，對(duì)，就是要有新鮮的蔬菜材料嘛砖第。

而質(zhì)量控制技術(shù)能夠保證光刻膠性能的穩(wěn)定性撤卢。就像咱們食譜有了，蔬菜也有了瘤希，還缺調(diào)味料昂贷。只有放入適量的調(diào)味料，才可以保證做出來(lái)的菜色香味俱全嘛答艘。

同時(shí)光刻膠按應(yīng)用領(lǐng)域分類拆翘，可分為 低端PCB 光刻膠、中端LCD顯示面板光刻膠息体、高端半導(dǎo)體光刻膠

最低端的光刻膠狗悔，國(guó)內(nèi)已經(jīng)占了全球70%的市場(chǎng)了屉争，中端主要用在面板生產(chǎn)領(lǐng)域，這個(gè)國(guó)內(nèi)才起步巡软，國(guó)產(chǎn)化率不足5%檩讯。

我舉個(gè)例子：

咱們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娮釉O(shè)備，其顯示器之所以能展現(xiàn)色彩斑斕的畫面菌劲。主要就是因?yàn)槠涿姘逯杏幸粚硬噬∧に舭ⅲ@片厚度僅僅2微米的薄膜益涧，就必須要由光刻膠來(lái)實(shí)現(xiàn)色彩畫面。

而高端光刻膠主要用在芯片制造的久免，國(guó)內(nèi)目前最高水平是193納米浅辙，和國(guó)外差距40年。

中高端目前主要是美國(guó)日本公司壟斷阎姥，它們占據(jù)市場(chǎng)將近90%的份額记舆。比如日本合成橡膠、東京應(yīng)化呼巴、美國(guó)陶氏泽腮、住友化學(xué)、富士膠片等等

而國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體光刻膠生產(chǎn)和研發(fā)企業(yè)僅有五家衣赶，分別為蘇州瑞紅诊赊、北京科華、南大光電府瞄、容大感光楚餐、上海新陽(yáng)。

國(guó)產(chǎn)化率方面：

較低端的 i/g 型光刻膠國(guó)產(chǎn)化率很低 蹂孽，目前國(guó)內(nèi)僅有晶瑞股份的蘇州瑞紅子公司和北京科華微電子公司可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)撇扯。

其中晶瑞股份擁有 每年100 噸 的 i 線光刻膠生產(chǎn)線，科華微電子擁有 每年500 噸 的 i/g 線光刻膠生產(chǎn)線酸穗，此外见撵，容大感光公司也可小批量，低于每年 100 噸 方蜡，生產(chǎn) i 線光刻膠薪尉。

對(duì)于較高端的KrF 章理、 ArF 型光刻膠，目前國(guó)內(nèi)基本依靠進(jìn)口嘴父。

KrF 型光刻膠僅北京科華微電子擁有一條每年 10 噸 生產(chǎn)線杂蒙。產(chǎn)品現(xiàn)已通過(guò)中芯國(guó)際認(rèn)證獲得商業(yè)訂單，但所占市場(chǎng)份額極低企悦。晶瑞股份于 2018 年建成了一條KrF 248nm 深紫外光刻膠中試示范線台腥，現(xiàn)在尚未實(shí)現(xiàn)正式批量生產(chǎn)。

ArF 型光刻膠目前南大光電在建一條 每年25 噸 的生產(chǎn)線绒北，科華微電子和上海新陽(yáng)也在進(jìn)行產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目黎侈。

咱們?cè)诓牧戏矫娉藝?guó)產(chǎn)化率較低外峻汉，技術(shù)水平與半導(dǎo)體最先進(jìn)制程對(duì)應(yīng)要求也存在一定差距贴汪。

而隨著半導(dǎo)體制程不斷提高，所需曝光所用光線波長(zhǎng)不斷縮短休吠，對(duì)光刻膠的分辨率扳埂、敏感度、對(duì)比度等也提出了更高的要求瘤礁。

其中分辨率是圖形描述形成的關(guān)鍵尺寸柜思，對(duì)比度是描述光刻膠從曝光區(qū)到非曝光區(qū)的陡度岩调；敏感度是光刻膠上產(chǎn)生一個(gè)良好的圖形所需一定波長(zhǎng)光的最小能量值。

所以你看触擎，諸多技術(shù)參數(shù)限制構(gòu)成了光刻膠的技術(shù)壁壘沛狱。

 

感悟

最后小鯨想說(shuō)：

常常有人把半導(dǎo)體研究與“兩彈一星”做比較，認(rèn)為咱們能做出“兩彈一星”這樣的尖端科技绑燃，半導(dǎo)體也不成問(wèn)題乍之。但是卻忽視了，"兩彈一星"技術(shù)一旦掌握出毁，自我更新速度較慢促奇。

而半導(dǎo)體是按照摩爾定律高速發(fā)展的，單位芯片晶體管數(shù)量每18個(gè)月增長(zhǎng)一倍管剂。在半導(dǎo)體領(lǐng)域露龙，落后一年都不行。

而像光刻膠這樣的材料，有效期為三個(gè)月秆廉，咱們想囤貨都不行策洒。

而光刻膠看似簡(jiǎn)單，其實(shí)需要大量投入和產(chǎn)業(yè)配合顽腾，需要反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和工業(yè)化制備近零。

無(wú)論是從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)，還是從1微米到幾十納米幾納米抄肖，都存在非常大的鴻溝需要逾越久信。同時(shí)光刻膠作為一種半導(dǎo)體化學(xué)材料，還需要半導(dǎo)體的大牛團(tuán)隊(duì)和化學(xué)化工的大牛團(tuán)隊(duì)精誠(chéng)合作才行。

咱們想要發(fā)展半導(dǎo)體裙士，沒(méi)有捷徑可走入客。

關(guān)鍵設(shè)備跟材料被卡著脖子，在逆全球化的浪潮之中腿椎，國(guó)產(chǎn)替代一定是大勢(shì)所趨桌硫。而這需要各行各業(yè)的理解和支持，特別是學(xué)科設(shè)置啃炸、人才培養(yǎng)鞍泉、經(jīng)費(fèi)投入等等方面。

半導(dǎo)體研發(fā)是一個(gè)完整的技術(shù)層級(jí)體系番搅。

咱們只有夯實(shí)基礎(chǔ)代徒，掌握了半導(dǎo)體現(xiàn)有的技術(shù)體系，并在有潛力的環(huán)節(jié)奮起攻關(guān)瘸拳，形成自己的技術(shù)突破昔黍，獲得一定的技術(shù)話語(yǔ)權(quán)，才可能在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中有立足之地眠乏。