光刻、刻蚀与国产5nm刻蚀机

前两天，朋友圈被国产5nm刻蚀机刷屏了。借此机会，小豆芽调研下相关的知识，聊一聊光刻与刻蚀的基本原理。

光刻（photo-lithography）的过程与照相比较类似。首先在晶圆表面涂上一层光刻胶（photoresist）。光刻胶是一种特殊的感光材料，当被紫外光照射一定时间后（exposure），其性质发生变化。随后将晶圆放置在显影液中，被曝光的部分溶于显影液中，留下未被曝光的部分（也有些光刻胶是被曝光的部分不易溶解，而未被曝光的部分易于溶解，这种光刻胶称为负胶）。经过这一系列过程，掩模版上的图案就可以转移到光刻胶上。其整个流程如下图所示，

(图片来自 https://en.wikipedia.org/wiki/Photoresist)

先前的笔记（光学衍射极限与国产光刻机）中讨论过光刻分辨率的主要因素，采用更小的波长，更大的NA, 以及采用浸没式显微系统都可以用来提高光刻的分辨率。

从以上光刻的流程可以看出，最终图案转移到了光刻胶上。然而我们所希望的是，将图案转移到衬底上或者某一薄膜层，而不是停留在光刻胶这一层。所以，我们需要根据光刻胶的图案做进一步的加工，这一过程就是刻蚀（etching）, 将没有光刻胶覆盖的部分通过一定的化学方法被去除掉。这样图案就可以转移到下一层。其示意图如下图所示，

（图片来自https://techomat.wordpress.com/2015/06/07/optical-lithography/）

刻蚀可分为干刻（dry etching）与湿刻(wet etching)两大类。常用的干刻方法是反应离子刻蚀（reacted ion etching, 简称RIE）。硅光波导就是通过RIE方法刻蚀形成的。其主要过程是通过等离子气体轰击材料表面，使得材料被逐渐剥离刻蚀掉，其示意图如下图所示。

（图片来自http://web.ece.ucdavis.edu/~anayakpr/Papers/Wet%20and%20Dry%20Etching_submitted.pdf）

所谓湿刻，顾名思义，也就是通过化学液体与材料发生反应，达到刻蚀的目的。HF酸是常用的湿刻溶剂。湿刻方法的刻蚀速率快，设备简单，但由于其刻蚀是各向同性的，导致光刻胶覆盖区域的沉底也会被刻蚀掉一部分。下表给出了这两种刻蚀的一些比较，

（图片来自https://www.mrsec.harvard.edu/education/ap298r2004/Erli%20chen%20Fabrication%20III%20-%20Etching.pdf）

接下来说一说国产5nm刻蚀机。关于这一事件的报道，大部分新闻开头是这样的，

小豆芽查阅了中微半导体的官网（http://www.amec-inc.com/news/News.php）。其最新新闻是今年7月11号的，没有找到5nm刻蚀机的相关陈述，可能是没有对这一事件进行更新。小豆芽又搜了下台积电的设备供应商，有700多个（https://www.webwire.com/ViewPressRel.asp?aId=232660）。中微半导体的官网没有相关报道，有点奇怪。如果报道属实的话，这是个很大的突破，是个大新闻，毕竟通过验证，得到TSMC的认可。

据做半导体设备这一领域的师兄讲，根据材料的不同，刻蚀还分为多晶硅 介质和金属。LAM公司是多晶硅刻蚀和金属领域的翘楚，TEL公司是介质刻蚀的龙头。LAM是台积电2017年最佳供应商之一，由此可见其江湖地位。

真心希望国内媒体进行相关报道时，持一种谨慎务实的态度，而不是以“重磅”等字眼吸引读者的眼球，更不要以讹传讹。科技进步是用来提高生产力的，而不是博眼球的。现在看到这类字眼开头的新闻，都不自觉地先怀疑一下。国内科技的进步是毋庸置疑的，我们会逐渐掌握关键核心技术。但是我们没有必要为了一点成绩就飞上天，踏踏实实，闷声发大财才是一种智慧。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。