1.3 什么是光刻膠

要想制造芯片，首先面臨的問題是如何在堅硬的硅基晶圓上刻畫出錯綜復雜的線路以及數以十億計的元器件。

當這些線路和元器件的尺寸以納米作為計量單位的時候，人類最精密的刻刀也無法完成這樣的任務。這時候人們想到用光來做這把“刀”。

后來出現了讓大家耳熟能詳的光刻機。

不過，別聽到光刻機就以為能夠直接用光在硅基晶圓上刻出電路。其實光刻機中的光“刻刀”刻的是涂抹在晶圓上的光刻膠。

光刻膠的正規名字叫光致抗蝕劑，它由感光劑、聚合劑、溶劑、輔助劑等組成。它的作用相當于在晶圓的表面先涂抹一層保護膜。它能夠抵擋住后面工序中化學液體對晶圓的腐蝕。下圖是涂抹光刻膠工藝。

復雜的芯片線路圖通過不斷縮微，最終可形成光刻機上的膠片。光刻機的光源透過膠片，將這些線路映射到涂了光刻膠的晶圓上。這就好像咱們小時候看到的剪影，光源照在剪影紙上，鏤空部分的光線穿透過去照在屏幕上，而其他部分的光線則被遮擋住了。

當然，真實的芯片光刻工藝比以上介紹的還要復雜，不過原理是相通的。

這道工序在芯片制造過程中被稱為前道光刻。之前鬧得沸沸揚揚的“卡脖子”設備，指的就是前道光刻機。其實在芯片制造過程中，還會用到多種光刻機，比如后面將會介紹的中道刻蝕光刻機、后道封裝光刻機等，它們都是不可或缺的關鍵設備。

回到前道光刻工序，光刻膠被光刻機的光線照到的部分會發生反應，變得沒有那么牢固了。這也為后面的芯片刻蝕工藝打下了基礎。

下圖是刻蝕工藝。

因為被前道光刻機照射完成之后的晶圓會被浸入一種特殊的溶液中，之前介紹過的被前道光刻機的光線照射到的線路和元器件區域上的光刻膠就會被溶解，之前被覆蓋的晶圓本體就會裸露出來。而沒有被照到的部分，光刻膠依然保持完好。

之后晶圓又會進入下一道工序，在這里使用刻蝕光刻機和化學溶液相結合的方式，蝕刻裸露在外的晶圓，這就形成了芯片上的線路和元器件。再經過超純凈水的沖洗，芯片的原型就算出現了。

當然，咱們這本書的定位是科普書，只是簡單介紹一下芯片的制造過程。其實一個芯片從晶圓涂抹光刻膠開始，一直到最后的封裝，中間有幾百道工序，是非常復雜的過程。

講到這里讀者也許已經明白，光刻膠在芯片制造環節起到了什么樣的關鍵作用。這種材料也確實不簡單，它具有極高的光靈敏度，也就是說只有被前道光刻機照到的區域才能發生反應，沒有照到的區域必須保持原有的性能，否則用前道光刻機畫出的線路就做不到那么精準了。同時它還具有高黏附性，能牢牢地黏附在晶圓表面。它的純度也非常高，不能含有雜質，不然可能會帶來反射、折射等不良干擾。另外，光刻膠還非常嬌氣，它需要嚴格的密封冷鏈存儲和運輸，而且超過90天就會失效。

就連涂抹光刻膠的工藝也有嚴格要求，涂抹必須均勻，厚了不行，薄了也不行，晶圓上光刻膠的一般厚度在2和17微米之間。整個涂抹光刻膠的工藝過程也是非常復雜和嚴格的。2019年，臺積電就因為涂抹光刻膠的設備參數設錯了，沒有清理干凈上一道工序中的鐵離子，結果造成近萬片晶圓受到污染，這次事故給企業帶來數億美元的損失。