第 2 站:光刻与蚀刻

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拿到镜面晶圆之后,问题变成:怎么把电路图案「画」上去?答案是一套组合拳——光刻(lithography)负责印图案,蚀刻(etching)负责刻出来。这一对工序在芯片制造中要重复几十次,因为芯片是层层堆出来的。

光刻:像冲洗照片一样印电路

光刻的原理和传统胶片摄影惊人地相似:

  1. 涂胶:在晶圆表面旋涂一层光刻胶(photoresist)——一种见光会改变化学性质的高分子材料。
  2. 曝光:紫外线透过掩膜(photomask)照射晶圆。掩膜是一块石英玻璃板,上面有放大的电路图案,透光与遮光区域构成「底片」。光透过的地方,光刻胶发生化学反应。
  3. 显影:用显影液洗掉变性(或未变性,取决于胶的类型)的光刻胶,晶圆表面就留下与电路图案一致的光刻胶「模板」。

精度的关键在于光源波长。波长越短,能印出的线条越细。行业沿这条路走了几十年:365 nm(汞 I 线)→ 248 nm(氟化氪激光)→ 193 nm(氟化氩激光,DUV 深紫外)→ 13.5 nm(EUV,极紫外)。EUV 光刻机是当前最先进的设备,商用机型目前由荷兰 ASML 独家供应,一台售价数亿美元——因为 13.5 nm 的光会被玻璃和空气吸收,必须用真空环境里的反射镜系统(而不是透镜)精确投射,整台机器有一辆公交车那么大。

蚀刻:把图案刻进材料

光刻胶模板出来后,蚀刻工序把它转移到晶圆表面的真实材料上:

  • 干法蚀刻(主流):用等离子体轰击晶圆表面。反应离子蚀刻(RIE,Reactive Ion Etching)中,化学活性离子既发生化学反应又进行物理轰击,可以做到各向异性——只往下刻,不往侧边啃,刻出的沟槽壁陡直。这是刻出精细结构的关键。
  • 湿法蚀刻:用化学溶液腐蚀,便宜快,但各向同性(四面八方都啃),只适合精度要求低的场合。

每完成一轮「光刻 + 蚀刻」,就把图案刻进了当前这层材料。然后进入下一站:沉积新材料、掺杂、连线——如此循环,芯片就是这样一层一层「堆」出来的。

一句话总结

光刻 = 涂胶 → 曝光 → 显影,把电路图案变成光刻胶模板;蚀刻 = 按模板把图案刻进真实材料。波长越短线条越细,EUV(13.5 nm)是当前的精度天花板。

来源

  • 光刻波长演进(365/248/193/13.5 nm)与 EUV 用反射镜:已核实(维基百科「Extreme ultraviolet lithography」条目)
  • 商用 EUV 光刻机由 ASML 独家供应(2025 年中国已研制原型机):已核实(同上条目)