1.3 什么是光刻胶

要想制造芯片，首先面临的问题是如何在坚硬的硅基晶圆上刻画出错综复杂的线路以及数以十亿计的元器件。

当这些线路和元器件的尺寸以纳米作为计量单位的时候，人类最精密的刻刀也无法完成这样的任务。这时候人们想到用光来做这把“刀”。

后来出现了让大家耳熟能详的光刻机。

不过，别听到光刻机就以为能够直接用光在硅基晶圆上刻出电路。其实光刻机中的光“刻刀”刻的是涂抹在晶圆上的光刻胶。

光刻胶的正规名字叫光致抗蚀剂，它由感光剂、聚合剂、溶剂、辅助剂等组成。它的作用相当于在晶圆的表面先涂抹一层保护膜。它能够抵挡住后面工序中化学液体对晶圆的腐蚀。下图是涂抹光刻胶工艺。

复杂的芯片线路图通过不断缩微，最终可形成光刻机上的胶片。光刻机的光源透过胶片，将这些线路映射到涂了光刻胶的晶圆上。这就好像咱们小时候看到的剪影，光源照在剪影纸上，镂空部分的光线穿透过去照在屏幕上，而其他部分的光线则被遮挡住了。

当然，真实的芯片光刻工艺比以上介绍的还要复杂，不过原理是相通的。

这道工序在芯片制造过程中被称为前道光刻。之前闹得沸沸扬扬的“卡脖子”设备，指的就是前道光刻机。其实在芯片制造过程中，还会用到多种光刻机，比如后面将会介绍的中道刻蚀光刻机、后道封装光刻机等，它们都是不可或缺的关键设备。

回到前道光刻工序，光刻胶被光刻机的光线照到的部分会发生反应，变得没有那么牢固了。这也为后面的芯片刻蚀工艺打下了基础。

下图是刻蚀工艺。

因为被前道光刻机照射完成之后的晶圆会被浸入一种特殊的溶液中，之前介绍过的被前道光刻机的光线照射到的线路和元器件区域上的光刻胶就会被溶解，之前被覆盖的晶圆本体就会裸露出来。而没有被照到的部分，光刻胶依然保持完好。

之后晶圆又会进入下一道工序，在这里使用刻蚀光刻机和化学溶液相结合的方式，蚀刻裸露在外的晶圆，这就形成了芯片上的线路和元器件。再经过超纯净水的冲洗，芯片的原型就算出现了。

当然，咱们这本书的定位是科普书，只是简单介绍一下芯片的制造过程。其实一个芯片从晶圆涂抹光刻胶开始，一直到最后的封装，中间有几百道工序，是非常复杂的过程。

讲到这里读者也许已经明白，光刻胶在芯片制造环节起到了什么样的关键作用。这种材料也确实不简单，它具有极高的光灵敏度，也就是说只有被前道光刻机照到的区域才能发生反应，没有照到的区域必须保持原有的性能，否则用前道光刻机画出的线路就做不到那么精准了。同时它还具有高黏附性，能牢牢地黏附在晶圆表面。它的纯度也非常高，不能含有杂质，不然可能会带来反射、折射等不良干扰。另外，光刻胶还非常娇气，它需要严格的密封冷链存储和运输，而且超过90天就会失效。

就连涂抹光刻胶的工艺也有严格要求，涂抹必须均匀，厚了不行，薄了也不行，晶圆上光刻胶的一般厚度在2和17微米之间。整个涂抹光刻胶的工艺过程也是非常复杂和严格的。2019年，台积电就因为涂抹光刻胶的设备参数设错了，没有清理干净上一道工序中的铁离子，结果造成近万片晶圆受到污染，这次事故给企业带来数亿美元的损失。