Vol.137 如何在纳米尺度雕刻芯片

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。