2纳米芯片必备的底层技术，国产厂商还真有储备

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芯片的地基是根本

为了做出更强大的芯片，半导体产业链各家大厂一会推出新的封装设计，一会引进极紫外光刻机来刻出更小的电路，但任何工艺都离不开一个好的基底，也就是晶圆上的那层薄膜。

首先要老话重提，半导体是个非常庞大的产业，任何一家企业都不可能独立完成芯片制造，因为芯片制造所涉及的大量材料及设备，例如硅金属材料的开采、晶圆、光刻胶、光刻机等都来自全球各家企业。但是要从生产制造层面来看，芯片制造的关键其实就是“光刻工艺”，也就是用光刻技术在晶圆上制作微小电路图案的过程。

光刻工艺简单说，就是一层层地在晶圆上盖材料，逐渐向上组合出自己需要的晶体管机构和线路，像盖房子或者玩俄罗斯方块。

具体拆分光刻工艺整个过程。工程师会先在绝缘的晶圆上沉积一层层只有原子厚度的材料，它可能是绝缘体、半导体也可能是铜导电层，但一定要分布地十分均匀，说3纳米就只能是3纳米，一点不能多也一点不能少；为了能在这层薄膜材料上雕刻出想要的图案，还要涂一层光刻胶，这是一种对光敏感的聚合物，由于它们对光的反应不同，从而决定了曝光后图案的形成方式。

光刻胶的国产化同样值得关注

值得一提的是，光刻胶也被称为化工业的“圣杯”。我国半导体企业太紫微光电前几天刚宣布，配方完全自主的KrF光刻胶（主要用于制造90纳米到45纳米节点的芯片）产品已经通过了半导体工艺验证，这算是国际上比较常规且走量的一款光刻胶，用处很多。当然，要想突破更先进的芯片制程，就需要ArF光刻胶和EUV光刻胶，这个以后可以细说。

涂上了光刻胶之后就是曝光，使用掩模版将电路图案投影到涂有光刻胶的晶圆上，让光刻胶上只留下工程师想要的图案。半导体前道设备中最关键的光刻机就是在这一步使用，如极紫外（EUV）光刻机，它的厉害之处就在于波长短、分辨率高，能刻出更复杂精细的电路图，来应付各类新设计。

然后就是蚀刻，即使用化学或物理方法将光刻产生的光刻胶图形，包括线、面和孔洞，准确无误地转印到光刻胶底下的材质上，以形成集成电路的复杂结构。全球刻蚀市场长期由美国泛林、应用材料公司和日本东京电子瓜分，合计占据九成市场份额。直到2020年，中国的中微公司和北方华创，才在刻蚀设备市场拿下了2%出头的份额。

整个流程结束后，要再换个材料重复沉积、光刻、蚀刻这一流程，就这样，由下而上一层一层造出来“摩天大楼”。

说这么多只是为了让读者能更好理解：当我们想要制造出更薄、性能强大又稳定的芯片时，最底层的薄膜沉积有多重要。但想让晶圆上“长”出均匀的薄膜并不简单，这也是为什么“薄膜沉积”能与“光刻”“蚀刻”一同并称为晶圆制造的三大核心步骤。

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能控制自己的ALD技术

想实现对薄膜的精确控制，原子层沉积技术（ALD）呼声是最高的，只不过它更适用于半导体先进制程，也就是2纳米及以下的芯片，目前业内应用最多的还是化学气相沉积（CVD）。

材料学家开发了很多种选择来处理薄膜沉积任务，大致分为两类：物理与化学。物理气相沉积（PVD）包括真空蒸镀、溅射、分子束外延、脉冲激光沉积、离子束辅助沉积等等；化学路径下主要就是化学气相沉积和化学液相沉积。不同的材料、温度条件下，其实可以选择不同的薄膜制程，只不过在半导体领域，还是CVD用的最多——而ALD实际上就是CVD的改良版。

CVD的原理在于，让两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，使其相互之间发生化学反应， 形成一种新的材料，以外层薄膜的形式沉积到晶圆表面上。这就像“AB胶”，两种胶水本身没黏性，但是一混合就成了固体粘合剂。

快速又高效的CVD虽然应用广，但它本质上还是一个巨大的化学实验，因此气态原材料的选择、它的温度，反应物的浓度、反应时间甚至晶圆基板的温度都会影响到沉积物的厚度和均匀度，导致CVD的控制精度比较低，尤其是在芯片构造越来越复杂的当下，它实在有些力不从心。

几种沉积方式中，ALD最适合复杂复杂形貌的晶体构造

升级版的ALD主打一个高精度。CVD的沉积过程是持续的，ALD则是交替脉冲式地将气态原材料合成的化合物（也称气体前驱物）导入反应室内，使其交替在晶圆表面被吸附并发生反应。

ALD形成薄膜之精确，靠的是它的“自限制性”。这个意思是，当注入前驱物A时，它只会与晶体基材表面发生反应，而不会不断叠加，所以得到的就绝对只有一层分子，且这个反应会随着表面空间的饱和而停止，这就是自限制性的表现；这个时候再注入前驱物B，两个前驱物之间会产生反应、自动停止，形成我们需要的原子层。

“原子层沉积”一次最多只留一层，多余的会被清理掉——会通过注入惰性气体把多余的前驱物和反应副产品带出来出来。整个过程至少需要0.5秒，培养出的薄膜厚度大约为0.01-0.3纳米，如此交替反复之下，一层层地摞，一层层地长，最后形成或薄或厚的膜。

拓荆科技的ALD相关设备

这方面国产化其实也在突破。2010年成立的拓荆科技，主要就是生产半导体领域薄膜沉积设备的，他们的主要产品线就包括原子层沉积(ALD)设备，且已广泛应用于国内晶圆厂14纳米及以上制程集成电路制造产线，并已展开10纳米及以下制程产品验证测试。实际上，国内目前除了高端光刻机外，其他半导体设备基本都能自研。

另外，ALD特别适合用在复杂的三维结构中，而且不仅限于芯片，动力电池也能用。我们知道，锂离子电池容易因为外部刺激导致电池内部生长锂枝晶，进而造成短路或者热失控。

ALD可以沉积一层保护膜在负极或正极上，比如通过ALD技术精确地沉积一层均匀、致密且稳定的SEI（固体电解质界面）膜，替代电池充放电过程中自发形成的SEI膜，不就直接有效地抑制锂枝晶的生长了？

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编辑｜张毅

审核｜吴新

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