序言

這是一顆華為麒麟990 5G芯片，它的芯片面積約為113平方毫米，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。

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

我知道你們想說光刻機，光刻機確實很重要！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，它就是光刻膠！

 

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，溶解度會發生變化的薄膜材料。

具體來說，它的工作機制是這樣的：

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。接著在復雜的曝光裝置中，光線通過一個具有特定圖案的掩模投射到光刻膠上。

曝光區域的光刻膠發生化學變化，在隨后的化學顯影過程中被去除。最后掩模的圖案就被轉移到了光刻膠膜上。而在隨后的蝕刻 或離子注入工藝中，會對沒有光刻膠保護的硅片部分進行刻蝕。

最后洗去剩余光刻膠。

這時光刻膠的圖案就被轉移到下層的薄膜上，這種薄膜圖案化的過程經過多次迭代，聯同其他多個物理過程，便產生集成電路。

有同學會問了，那光刻機和光刻膠之間是啥關系呢？

小鯨來給大家科普下：

光刻機是設備，光刻膠是材料。它們兩者共同點，都是芯片生產過程中不可缺少的東西。

舉個形象的比喻：

如果說光刻機是推動制程技術進步的“引擎”，那么光刻膠就是這部“引擎”的“燃料”。

大家可千萬別小看它哦，它可是光刻技術中，涉及到最關鍵的功能性化學材料！

 

光刻膠分類

在芯片制造工藝中有40-50%的時間是在光刻過程中，這個過程不光需要光刻機，還要在硅片上涂一層光刻膠，光刻膠的質量決定了光刻精度。

簡單的說，你就算有最牛的極紫外光EUV光刻機，沒有好的光刻膠，你的光刻精度還是不行。可以說它直接影響集成電路的性能、成品率以及可靠性。

所以光刻膠是至關重要的。

按照曝光波長分類，光刻膠可分為 ：

UV: i/g型光刻膠，也就是波長大于300nm。

DUV: KrF型光刻膠，也就是波長248nm, 和ArF型光刻膠，也就是波長193nm。

極紫外: EUV光刻膠，也就是波長進一步降低至28納米以下。

不同曝光波長的光刻膠，其適用的光刻極限分辨率也不同，通常來說，在使用工藝方法一致的情況下，波長越小，加工分辨率越佳。

對于半導體領域來說，再好的創意，再牛的設計。到了制造階段，都逃不過工藝設備和材料。

設備方面大家都知道的，諸如光刻機，蝕刻機等等。

那么材料方面呢？

半導體材料它包含硅片、光刻膠、光掩膜、濺射靶材、CMP 材料、電子特氣、濕化學品 、石英 等 細分子領域。

而根據全球半導體行業協會數據，光刻膠在半導體材料價值中占比近6%，光刻輔助試劑占比7.4%，二者共占13.4%。繼硅片和電子氣體之外的第三大半導體材料。

光刻膠廣泛用于印刷電路和集成電路的制造，以及半導體分立器件的微細加工等過程。

 

光刻膠工作流程

那么光刻膠的生產工藝，具體是怎么樣呢？

它的主要過程是將感光材料、樹脂、溶劑等主要原料在恒溫恒濕1000級的黃光區潔凈房進行混合，在氮氣氣體保護下充分攪拌，使其充分混合形成均相液體。

經過多次過濾，并通過中間過程控制和檢驗，使其達到工藝技術和質量要求，最后做產品檢驗，合格后在氮氣氣體保護下包裝、打標、入庫。

而且單單裝光刻膠的箱子也要做定制，確保箱子材料不會影響光刻膠。這個要做很多實驗，而且反復驗證才可以，每開發一個試驗品都要保存樣本和實驗材料，結果是需要很大的特殊的倉庫來保存這些樣品才可以。

光刻機核心技術

光刻膠的核心技術有哪些呢？

它包括配方技術，質量控制技術和原材料技術。

其中配方技術是光刻膠實現功能的核心，就像咱們做菜，要有食譜配方一樣。

高品質的原材料則是光刻膠性能的基礎。就像咱們食譜有了，下一步是啥，對，就是要有新鮮的蔬菜材料嘛。

而質量控制技術能夠保證光刻膠性能的穩定性。就像咱們食譜有了，蔬菜也有了，還缺調味料。只有放入適量的調味料，才可以保證做出來的菜色香味俱全嘛。

同時光刻膠按應用領域分類，可分為 低端PCB 光刻膠、中端LCD顯示面板光刻膠、高端半導體光刻膠

最低端的光刻膠，國內已經占了全球70%的市場了，中端主要用在面板生產領域，這個國內才起步，國產化率不足5%。

我舉個例子：

咱們日常使用的電子設備，其顯示器之所以能展現色彩斑斕的畫面。主要就是因為其面板之中有一層彩色薄膜，而這片厚度僅僅2微米的薄膜，就必須要由光刻膠來實現色彩畫面。

而高端光刻膠主要用在芯片制造的，國內目前最高水平是193納米，和國外差距40年。

中高端目前主要是美國日本公司壟斷，它們占據市場將近90%的份額。比如日本合成橡膠、東京應化、美國陶氏、住友化學、富士膠片等等

而國內半導體光刻膠生產和研發企業僅有五家，分別為蘇州瑞紅、北京科華、南大光電、容大感光、上海新陽。

國產化率方面：

較低端的 i/g 型光刻膠國產化率很低 ，目前國內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現量產。

其中晶瑞股份擁有 每年100 噸 的 i 線光刻膠生產線，科華微電子擁有 每年500 噸 的 i/g 線光刻膠生產線，此外，容大感光公司也可小批量，低于每年 100 噸 ，生產 i 線光刻膠。

對于較高端的KrF 、 ArF 型光刻膠，目前國內基本依靠進口。

KrF 型光刻膠僅北京科華微電子擁有一條每年 10 噸 生產線。產品現已通過中芯國際認證獲得商業訂單，但所占市場份額極低。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，現在尚未實現正式批量生產。

ArF 型光刻膠目前南大光電在建一條 每年25 噸 的生產線，科華微電子和上海新陽也在進行產品的研發和產業化項目。

咱們在材料方面除了國產化率較低外，技術水平與半導體最先進制程對應要求也存在一定差距。

而隨著半導體制程不斷提高，所需曝光所用光線波長不斷縮短，對光刻膠的分辨率、敏感度、對比度等也提出了更高的要求。

其中分辨率是圖形描述形成的關鍵尺寸，對比度是描述光刻膠從曝光區到非曝光區的陡度；敏感度是光刻膠上產生一個良好的圖形所需一定波長光的最小能量值。

所以你看，諸多技術參數限制構成了光刻膠的技術壁壘。

 

感悟

最后小鯨想說：

常常有人把半導體研究與“兩彈一星”做比較，認為咱們能做出“兩彈一星”這樣的尖端科技，半導體也不成問題。但是卻忽視了，"兩彈一星"技術一旦掌握，自我更新速度較慢。

而半導體是按照摩爾定律高速發展的，單位芯片晶體管數量每18個月增長一倍。在半導體領域，落后一年都不行。

而像光刻膠這樣的材料，有效期為三個月，咱們想囤貨都不行。

而光刻膠看似簡單，其實需要大量投入和產業配合，需要反復的實驗和工業化制備。

無論是從實驗室到量產，還是從1微米到幾十納米幾納米，都存在非常大的鴻溝需要逾越。同時光刻膠作為一種半導體化學材料，還需要半導體的大牛團隊和化學化工的大牛團隊精誠合作才行。

咱們想要發展半導體，沒有捷徑可走。

關鍵設備跟材料被卡著脖子，在逆全球化的浪潮之中，國產替代一定是大勢所趨。而這需要各行各業的理解和支持，特別是學科設置、人才培養、經費投入等等方面。

半導體研發是一個完整的技術層級體系。

咱們只有夯實基礎，掌握了半導體現有的技術體系，并在有潛力的環節奮起攻關，形成自己的技術突破，獲得一定的技術話語權，才可能在國際競爭中有立足之地。