光刻胶和掩膜版，纯国产芯片生产需要克服的两个重要障碍

无法制造纯国产的高端芯片，是国人心中隐隐的痛！目前来说，阻碍国产高端芯片的最大瓶颈就是极紫外光刻机。但是，即使有了极紫外光刻机，也需要光刻胶和掩膜版来进行配套才行。

一、光刻机不是直接刻蚀芯片

正如上一个关于光刻机的视频所说，芯片生产用的光刻机，只是起到曝光的作用，并不进行刻蚀。要想用光刻机进行直接刻蚀，必然面临以下几个难题。

首先，要把激光功率做到足够大，需要把硅或一些金属氧化物直接气化剥离。目前来说，波长越短的激光光源制造越困难，实现大功率越难，现有的紫外、极紫外光源难以产生足够强的激光。尤其是极紫外光源，现在能做到让光刻胶瞬时曝光就已经很不容易了。

其次，激光直接刻蚀，要求把熔点非常高的硅、金属氧化物等物质直接气化，必然会产生非常高的温度，甚至可能得达到几千摄氏度，这个温度条件想雕刻几纳米的细线，而不对周边材料产生任何影响，不产生图像变形，是不太可能的。同时，激光直接蚀刻，必然要求足够长的烧蚀时间，以达到刻蚀工艺要求，这就会大大降低生产效率。

此外，直接蚀刻所要求的激光强度这么高，光刻机里的透镜、反光镜等光学器件能否保证不被烧毁都是画着问号的。激光传播的精度更是难以保障。

最后，激光直接蚀刻，必然产生很多碎屑，这些碎屑一定会影响光刻机的工作效果，最终影响芯片的制作质量。

基于以上分析，直接蚀刻的光刻机并不是芯片制造领域追求的方向。现有的光刻机，都是先通过激光让光刻胶曝光显影，再利用专门的化学蚀刻工艺进行后续的蚀刻。而光刻胶在这样的光刻机上就是不能缺少的耗材。对于芯片制造来说，光刻胶的性能直接影响着芯片电路的可靠性。有很多因素需要考虑，说光刻胶是芯片制造领域最难生产的耗材一点都不为过。

二、光刻胶是光刻机最复杂的耗材

1. 光刻胶有点像胶卷

光刻胶有点像以前用的胶卷，但也有一些不一样的地方。首先，光刻胶并不是加工好的胶片成品，而是一种液体，需要均匀涂抹到晶圆上，然后再烘干固化粘到晶圆上。其次，光刻胶需要一定强度的紫外光或极紫外光才能曝光，放到太阳光下是不会曝光的。而且，不同光源的光刻机需要的光刻胶也是不一样的，所以每换一种光源，一般都得研发一种新的光刻胶。再次，光刻胶的分辨率远远高于普通胶卷，胶卷一般只能显示肉眼可见的图案，而光刻胶的图案是显微镜都难以看清楚的。最后，胶卷显影后，胶卷本身是完整的，而光刻胶显影后，图案部分的胶已经被溶解掉了，会露出下面的晶圆来。

经过曝光后的光刻胶，会分成两个区域，一个区域是可以用特殊溶剂溶解的。通俗来说就是有一种特殊药水，可以把被光照过的胶片或者是没被光照射的胶片给溶解掉。把可溶解部分溶解掉的过程就是显影。另一个区域不仅不易溶解而且还是防蚀刻的，所以光刻胶也叫光致抗蚀剂。因为它防蚀刻，蚀刻机只能蚀刻没有被光刻胶覆盖的部分，也就可以在晶圆上蚀刻出想要的图案来了。根据可溶解性的不同，可以把光刻胶分为两类，一类叫正胶，曝光区域的胶可以溶解，形成的图案跟掩膜版一样；还有一类叫负胶，曝光区域不可溶，非曝光区域可溶，形成的图案跟掩膜版相反。

1. 光刻胶的主要性能指标

光刻胶有分辨率、灵敏度、耐蚀刻性、线边缘粗糙度、储存稳定性等主要的性能指标。

其中分辨率和线边缘粗糙度是直接影响芯片加工质量的两个重要参数。分辨率越高，越适合制作高端芯片，显然极紫外光刻机需要的光刻胶对分辨率的要求是最高的。目前台积电利用极紫外光刻机已经实现了7nm芯片和5nm芯片的制作，未来还要实现3nm甚至更小。对光刻胶的要求越来越高。目前国内的极紫外光刻胶还在实验室研发阶段，虽然取得了不少成果，但都没有实现量产。最好的光刻胶主要都是日本公司生产的。国内，能够量产的光刻胶都是分辨率比较低的，近期分辨率最高的国产光刻胶将达到28nm，但预计2020年底或2021年初才能量产。

线边缘粗糙度，就是说光刻机曝光后的图案可能会有毛边。打个简单的比方，就是用钢笔写字的时候，由于纸张质量问题可能会洇纸显出毛边来。光刻胶也是一样，并不是光照在哪里就在哪里显示图案。现在的光刻胶都是需要化学反应对光线作用进行放大的，一般是通过光照使一些物质变成酸，然后酸再降解光刻胶的主要成分，使它们变成小分子，这些小分子很容易被洗掉从而显示出图案来。这里面的化学反应，很容易发生扩散，也就是产生毛边。所以光刻胶研发人员一个重要的攻关方向就是减少毛边的产生。各位聪明的观众，您知不知道用什么样的办法可以在纳米尺度上减少毛边的产生呢？请在评论区留言讨论！

灵敏度，就是光刻胶对弱光的反应程度。前面提到，紫外、极紫外的光源一般强度都不太高，光刻胶能不能在不太强的光线照射下，形成清晰的图案，是个很关键的指标。刚刚提到的化学放大作用，其实也是为了提高光刻胶的灵敏度而研发的。

耐蚀刻性，也是考察光刻胶的重要指标。在光刻胶上显示图案，并不是光刻的最终目标，最终目标是把图案转刻到芯片材料上，光刻胶最终是要扔掉的。要想把图案高效保真地转移到芯片上，除了对时刻设备、蚀刻试剂和蚀刻工艺提出高要求以外，还对光刻胶的耐蚀刻性提出了很高的要求。如果光刻胶不耐蚀刻，它背后不需要蚀刻的芯片部位也就无法得到有效保护了，刻出来的芯片自然也就不合格了。

储存稳定性，简单说就是光刻胶好不好保存，能保存多长时间。显然越容易保存，保存的时间越长越好。

光刻胶的生产，不仅涉及到成分和工艺的问题，还涉及到专利保护的问题。国内公司即使知道光刻胶的配方和生产工艺，也不能随便生产，因为会侵犯人家的专利。国内科研单位已经研发了很多光刻胶，但距离量产和实用，还有一段距离。

三、掩膜版的技术含量也很高

1. 掩膜版是芯片的绝密模板

再说掩膜版的事。掩膜版是整个芯片的机密所在，没有掩膜版，光刻机是无法准确加工芯片的。拿走掩膜版，就可以复制任何公司的芯片，就像拿走印钱的电板可以制造逼真的假钱一样。掩膜版就相当于照相的底片，光刻机的作用就是要把底片上的图案印到光刻胶上。这个底片也就是掩膜版，它的制造跟芯片光刻流程相似，但比光刻工艺更难，而不是更简单。

1. 芯片生产需要设计好掩膜版

掩膜版是由芯片代工厂设计出来的，首先需要拿到客户设计好的芯片图纸，这个图纸是电子版的，用EDA软件绘制。芯片代工企业需要用EDA软件把这个文件打开，进行分析。这就是为什么大家都说除了光刻机被卡脖子以外，EDA软件也会限制代工企业为华为服务的原因。图纸是不能直接用来刻芯片的，必须进行识别，分层和再设计。芯片有很多不同的部件，不同部件的加工工艺是不一样的，不可能一次完成，必须分批分步完成。这就要求把一个设计图纸先拆分成若干层，每一层制作一个掩膜版。就好像彩色印刷需要把一张彩图做成四种颜色的印刷版，分四次印刷才能完成一样。

掩膜版图案并不是设计图纸的简单再现，而是要根据实际工作经验对图案进行合理修饰才行。不做修饰的掩膜版经过光刻机的显影以后，得到的芯片图案会失真非常严重。打个简单的比方，要想打印一个老虎的图案，必须得用猫的相片作为参照，如果用老虎自己的相片做参照，打印出来的可能就是怪兽了。所以，制作掩膜版，不能跟图纸设计的图案完全一样。必须根据光学衍射的理论，和光刻机实际失真程度的经验进行反向设计，把掩膜版图案做一定的修饰，以便最终光刻出来的图案足够接近理想效果。这个环节对设计经验的要求非常高，得反复试验才能达到最理想的效果。

除了修饰以外，掩膜板的空白区还要加上特殊图案以便对光刻机的光刻效果进行考察。在光刻机工作的过程中，机器有没有走神儿，会不会出现偏差，要有一定的监督机制。一旦出现问题，要能即使纠正和修订。空白区的图案就是起到监督的作用的。

设计好的图案得转化成光刻设备能识别的格式，传输给光刻设备。为了提高精度，掩膜版的光刻一般不用普通光刻机，而是用精度更高的电子束光刻设备。电子束光刻设备的精度比光刻机要高，但工作效率低，暂时不适合用到芯片生产环节。

1. 掩膜版制造也不简单

掩膜版的制造，跟芯片的制造类似，也是要在板子上涂上光刻胶，然后用激光或电子束显影，最后再进行蚀刻，显出电路图形来。掩膜版的制造非常关键，因为一旦掩膜版有错误，后面生产的所有芯片都会有错误，损失就太大了。所以掩膜版的制作流程比芯片制作本身要更严格，不允许出现错误。芯片可以有个良率或合格率的问题，而掩膜版有瑕疵就得直接毁掉。

掩膜版可不是一块木头板，也不是一块塑料板。而是光学性能非常好的石英玻璃，加上一层均匀的铬金属膜。把光刻胶均匀涂到金属膜上，经电子束显影后，用试剂蚀刻掉一部分铬金属，显示出电路图案来。将来光刻机的光线就是从被洗掉的铬金属空格里照射过去进行显影的。为了提高显影质量，掩膜版石英玻璃以外还要再加上一层调整光线质量的光掩膜。

这种传统的掩膜版是普通光刻机使用的，极紫外光刻机无法使用。因为石英吸收极紫外光，所以极紫外光刻机的掩膜版不能做成透光的，而必须是反光的。EUV专用的掩膜版，需要在基板上覆盖一层稀有金属钌，然后再在钌上覆盖吸光材料TaN。制作掩膜图案，就是要在吸光材料上雕刻图案，利用金属钌反光形成光刻的图案。这种掩膜版特别爱干净，哪怕有一丁点杂质吸附上都不行，必须经常清洗。此外，实际工作中，极紫外掩膜版必须在真空条件下使用，因为空气的成分也会影响极紫外光的传播。目前国内还无法量产极紫外光刻机专用的掩膜版。

不管是光刻胶，还是掩膜版，都不是简简单单会生产就完事了。需要大量的基础研究工作，和大量的创新研究，才能与时俱进。这需要有大量专业人才的储备，所以，我们国家一定要加强基础研究工作布局，加大基础研究人才的培养。这也正是国家教育部强基计划推出的原因之一。希望各位家长能看懂科学发展形势，鼓励孩子从事国家的高科技研发工作，不要因为化学考试困难就放弃化学的学习。新材料的研发离不开化学知识，国家发展也离不开化学人才。