100多億個(gè)晶體管怎么裝進(jìn)去小芯片？

芯片確實(shí)是人類(lèi)一個(gè)偉大的發(fā)明，只有用芯片才能把CPU的體積做得很小，海量的CPU集成在一起，才能夠制造出超級(jí)并行計(jì)算機(jī)。芯片的制造過(guò)程，就相當(dāng)于用完全相同的材料，建設(shè)一個(gè)城市的過(guò)程。

芯片藏身于城市中隨處可見(jiàn)的電子設(shè)備，智能手機(jī)、電腦、家電等都離不開(kāi)它的控制。

小小的芯片集成了龐大規(guī)模的電路。

把芯片放大，可以看到其內(nèi)部存在著密密麻麻的線路排布，就像密集交織的高速公路，仿佛在極小的尺寸上建造了一座井然有序的電路城市。

芯片內(nèi)部有多小呢?如今我們?cè)诠I(yè)上運(yùn)用的芯片最小制程，也就是我們?nèi)祟?lèi)能創(chuàng)造出的微小尺寸，已經(jīng)達(dá)到 3nm，芯片內(nèi)部可以集成上百億個(gè)晶體管。

芯片制造的“多層”思路

無(wú)數(shù)納米級(jí)的電子元件在芯片上錯(cuò)落排布，是將每一個(gè)元件事先制好，再一個(gè)一個(gè)安放上去嗎?

不是!我們可以換個(gè)角度看待這個(gè)問(wèn)題，在縱向仔細(xì)觀察，可以發(fā)現(xiàn)芯片是由一層層帶有不同圖案的片狀結(jié)構(gòu)縱向壘疊而成。如果我們將每一層事先制好，再縱向累加，二維結(jié)構(gòu)能疊加成三維器件，最后形成功能豐富的芯片。

現(xiàn)在我們的目標(biāo)變成了如何制成有特定圖案的片狀結(jié)構(gòu)。首先我們要有能夠用來(lái)印上電路圖的片狀材料，也就是我們常聽(tīng)說(shuō)的硅晶圓，這是一種純度極高的硅，經(jīng)過(guò)加工后被切割成光滑、極薄的圓片。

接著，我們就像木匠，需要找到稱(chēng)手的工具來(lái)雕刻圖案，要制成內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且極其微小的芯片，對(duì)加工工具的尺寸要求極高。

聰明的我們找到了光這把刻刀，正是由于光具有豐富的波長(zhǎng)，我們可以利用短波長(zhǎng)的光來(lái)實(shí)現(xiàn)極其精細(xì)的加工。

我們希望通過(guò)光學(xué)曝光將圖紙上設(shè)計(jì)好的電路圖案轉(zhuǎn)移到硅晶圓上，但是光不能對(duì)硅材料產(chǎn)生影響，所以需要借助一個(gè)中間材料，也就是能直接和光相互作用的光刻膠。

要讓光實(shí)現(xiàn)圖案的信息的傳遞，可以利用將光完全擋住或完全通過(guò)的方式產(chǎn)生明暗圖案。光通過(guò)帶有電路圖案的擋光板(掩模版)，可以復(fù)制掩模版的圖案信息，最后和硅晶圓表面上均勻覆蓋的光刻膠相互作用后，硅晶圓上出現(xiàn)了我們需要的圖案信息。

光刻膠是光刻成像的主要承載介質(zhì)，分為正膠和負(fù)膠，曝光區(qū)域更容易在顯影液中溶解的為正性光刻膠，曝光區(qū)域更不易在顯影液中溶解的是負(fù)性光刻膠。

假設(shè)使用的是正性光刻膠，當(dāng)曝光過(guò)程結(jié)束后，顯影液能夠溶解暴露在光下的光刻膠。接著再用化學(xué)物質(zhì)溶解裸露的硅晶圓，遺留在硅晶圓表面的光刻膠能起到保護(hù)硅晶圓的作用，這就是刻蝕過(guò)程。

現(xiàn)在我們完成了目標(biāo)，獲得了帶有特定電路圖案的硅晶圓。在這整個(gè)過(guò)程中，大致思路其實(shí)比較流暢，但芯片制造這項(xiàng)代表人類(lèi)巔峰智慧的精密工程包含了無(wú)數(shù)嚴(yán)苛的要求。

芯片內(nèi)部尺寸受到什么限制?

芯片的主要元件是晶體管，一塊大型芯片能有上百億個(gè)晶體管，當(dāng)我們能制造越小的晶體管，芯片能容納的元件數(shù)越多，晶體管的功耗也會(huì)越低。

在芯片制造中，我們希望利用光在小尺度范圍中創(chuàng)造電路圖案，那么為什么光能實(shí)現(xiàn)這個(gè)效果呢?光的雕刻極限又在哪呢?

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衍射

影響光的雕刻水準(zhǔn)的主要原因是光的衍射效應(yīng)。光是一種電磁波，在光刻傳播過(guò)程中衍射不可避免，曝光范圍就有了最小特征尺度。光的分辨率，也就是光刻膠依據(jù)光輻照來(lái)重建圖形的能力有了限制。

曝光過(guò)程的衍射 | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons

如下圖所示，當(dāng)一束平行光經(jīng)過(guò)一個(gè)狹縫，光會(huì)以無(wú)數(shù)子波的形式在傳播過(guò)程中相互干涉，形成明暗相間的衍射圖樣。

單縫衍射 | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons

也就是說(shuō)在微小尺度上考慮光的傳播，有光區(qū)域不再和無(wú)光區(qū)域涇渭分明，而是出現(xiàn)了模糊地帶，一個(gè)理想物點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)障礙物邊緣后，會(huì)偏離幾何光學(xué)直線傳播的特點(diǎn)，不再形成一個(gè)理想像點(diǎn)。

這正是因?yàn)楠M縫寬度和光波長(zhǎng)尺度相當(dāng)時(shí)，光的波動(dòng)效果迎來(lái)了舞臺(tái)，光可以利用波動(dòng)效果繞開(kāi)障礙物，在空間中彌散開(kāi)來(lái)，形成了光發(fā)散的衍射效果，導(dǎo)致曝光區(qū)域范圍不再精準(zhǔn)，光的分辨率有了極限。

光的波動(dòng)效果圖(對(duì)比直線傳播和波動(dòng)效果) | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons

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分辨率

在光學(xué)成像領(lǐng)域，分辨率是衡量分開(kāi)相鄰兩個(gè)物點(diǎn)的像的能力。理想情況下，我們希望每個(gè)物點(diǎn)都能產(chǎn)生銳利的像點(diǎn)，但由于衍射，實(shí)際結(jié)果為有一定大小的光斑。如果兩個(gè)光斑(衍射圖樣)重疊程度過(guò)大，則像點(diǎn)難以分辨。

瑞利提出了一個(gè)有效的判據(jù)，分辨率計(jì)算公式為：

該分辨率表達(dá)式描述了兩個(gè)光斑時(shí)恰好能分辨的極限位置——當(dāng)一個(gè)光斑的極大位置與另一個(gè)光斑的第一個(gè)零值點(diǎn)重合。其中，λ為照明光波長(zhǎng)。

光斑不可分辨和恰好可分辨的極限情況 | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons

NA 為數(shù)值孔徑，它描述了透鏡對(duì)光的匯聚能力，具體表現(xiàn)為平行光入射后的偏折程度(匯聚到焦點(diǎn))，計(jì)算表達(dá)式為：

數(shù)值孔徑(n 為折射率)| 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons

瑞利判據(jù)常用來(lái)評(píng)價(jià)成像質(zhì)量，而光刻系統(tǒng)是在光刻膠中成像的。光刻膠是一種高對(duì)比度的成像介質(zhì)，在某些曝光條件下，雖然光學(xué)分辨率已經(jīng)達(dá)到了瑞利判據(jù)的分辨極限以下，但光刻膠仍然可以呈現(xiàn)較好的成像結(jié)果，實(shí)現(xiàn)加工的目標(biāo)。

光刻成像的分辨率為：

Rlitho 為光刻系統(tǒng)可分辨的圖形周期;k1 為工藝因子。

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光刻

芯片制造中光刻是最復(fù)雜、昂貴且關(guān)鍵的工藝，通常使用投影式光刻系統(tǒng)將掩模版的電路結(jié)構(gòu)圖投射到硅晶片的表面。

光學(xué)透鏡可以聚集衍射光提高成像質(zhì)量，在光刻技術(shù)中為得到盡可能小的圖案，在掩模板和光刻膠之間采用了一種具有縮小倍率的投影成像物鏡。

投影式光刻系統(tǒng) | 圖源網(wǎng)絡(luò)

如何打磨光這把刻刀?

我們現(xiàn)在知道了：光的最小加工尺度(分辨率)決定了芯片能小到什么程度。如何來(lái)讓芯片變得更小呢?我們需要讓分辨能力更強(qiáng)，讓芯片上的電路城市功能更精進(jìn)。

根據(jù)光刻分辨率公式中的三項(xiàng)，我們有了三種方案來(lái)打磨光這把刻刀。

·增大光刻系統(tǒng)的數(shù)值孔徑

光刻成像系統(tǒng)中的投影物鏡的數(shù)值孔徑越大，分辨能力就越優(yōu)越。具體操作是設(shè)計(jì)浸潤(rùn)式光刻機(jī)，即在晶圓和投影物鏡最后一面鏡頭之間填充高折射率的介質(zhì)。

·縮短波長(zhǎng)

光刻過(guò)程的光波長(zhǎng)已經(jīng)經(jīng)歷了 G 線(432nm)、I 線(365nm)、KrF(248nm)以及 ArF(193nm)的深紫外波段的發(fā)展歷程，目前 13.5nm 波長(zhǎng)的極紫外光刻機(jī)(EUV)已經(jīng)投入使用。

·減小工藝因子

通過(guò)優(yōu)化光刻工藝參數(shù)也能提高光刻分辨率，如改善光照條件、光刻膠工藝和掩模版設(shè)計(jì)等，這些方法都能減小工藝因子 k1，被稱(chēng)為分辨率增強(qiáng)技術(shù)(RET)。

光是電磁波，因此包含了振幅、相位、偏振態(tài)和傳播方向等信息。光刻分辨率增強(qiáng)技術(shù)就是通過(guò)調(diào)控光的以上四種信息，讓光刻膠上獲得更細(xì)小的圖形結(jié)構(gòu)。例如離軸照明技術(shù)可以改變振幅和相位，光學(xué)鄰近效應(yīng)修正技術(shù)可以改變光波振幅，光源—掩模聯(lián)合優(yōu)化可以改變光波的傳播方向、振幅和相位。

各個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)和光刻技術(shù)的關(guān)系表 | 來(lái)源：薩科微半導(dǎo)體官網(wǎng)，ASML，中泰證券研究所

縱覽光刻機(jī)的發(fā)展歷程，我們的確在沿著不斷縮小波長(zhǎng)的途徑上奔跑。觀察表中數(shù)據(jù)，當(dāng)光源波長(zhǎng)相同時(shí)，我們依然在不斷縮小制程，這是數(shù)值孔徑、工藝因子以及其他復(fù)雜技術(shù)的功勞。