
光刻完成后的硅晶圆。光刻是定图形的一步。图:视觉中国
我从小就认识游标卡尺,车、铣、刨、磨、锻也算耳熟能详,我出生和成长在中船集团旗下的一家机械加工企业,父母亲都是一线的从业者。
父亲那代工人管0.01毫米叫一道,一道是游标卡尺上人能稳定分辨的极限。厂里有一台万吨油压机,一万吨的压力压下去,钢锭像面团一样改变形状。那个年代的精度在人的手里,老师傅听切削的声音、看铁屑卷出来的颜色,就能判断刀具的状态。0.01毫米是他们那个世界的天花板,也是值得干一辈子的手艺。
后来我做了投资,看先进制造,跑了不少半导体制程和设备企业。晶圆厂、刻蚀设备公司、量测设备公司、先进封装厂、纳米运动控制平台。我父母那个时代的加工,和今天半导体厂里发生的加工,已经完全是两个世界的活动了。
机械加工之后
机械加工之后的这第二个时代,我觉得可以叫它微纳加工时代。
机械加工的逻辑很简单:工具比工件硬,用硬度减去材料。车刀削铁,铣刀开槽,砂轮磨平面,锻锤把钢锭压成形,本质都是接触式的减材。这个逻辑的精度天花板也很清楚:刀具会磨损,机床会振动,丝杠有间隙,材料受热会胀,每一项都卡在微米量级,物理的上限就在那里,最精确的0.01毫米,也就是1万纳米。
这个天花板在那个时代完全够用。机床、汽车、飞机,宏观世界的零件不需要更细。真正带领人类往更细走的,是半导体产业。
1947年晶体管发明,1958年集成电路出现,人类开始把电路做在一块半导体材料内部。电路不是零件,不能用车刀削出来,只能在材料表面和内部一层一层地构筑。1965年摩尔写下那条定律,集成度每隔一两年翻一倍。从那时候起,加工的精度指标不再由机械决定,而是由电路的线宽决定,线宽从毫米到微米,微米到纳米,一路没有停过。
微纳加工时代就这么启动了。启动的原因很朴素:机械加工做到头也够不着电路需要的尺寸,人类被迫换了一套完全不同的工具。
在晶圆上打孔
中秋节前,我去了一个先进封装企业学习。下面是我听到的一个打孔的故事。
企业的负责人站在深硅刻蚀机前面,站着给我讲了好久如何在半导体晶圆上打孔,也就是硅通孔TSV。为什么要在晶圆上打孔呢?因为芯片发展到今天,平面已经摆不下了。光刻机一次曝光能照的面积是锁死的,就是行业都知道的858平方毫米。因为这个尺寸,全世界的单颗芯片都不能更大了,算力的需求在不断上涨,那就只能把多颗芯片摞起来,或者并排坐在一起,再用某种方式让它们之间通电连接起来。垂直方向的电怎么通?在硅片上打孔,孔里填铜,信号从芯片正面穿到背面,这就是硅通孔。
这个孔多大呢?比如直径5到30微米,深度50到300微米,深宽比10比1甚至15比1。这个孔可不是钻的,也不是激光烧的,首先登场的是化学反应。
第一步用六氟化硫。硅这种东西性格很孤僻,很少跟谁能反应,但氟就可以。先把反应容器搞成真空,也就是真空腔,加上等离子电场(电场把气体分子打碎成带电的离子和自由基,这团带电的气体就叫等离子体,它比正常气体活泼得多,而且带电,所以听电场的指挥),氟自由基碰到硅就反应,硅变成气体再被真空泵抽走,就出现了一个小坑。
但是,第一个麻烦来了,化学不分方向,一直刻下去坑会横向扩,刻一下就是一个坑,而不是我们需要的垂直光滑的微米级通孔。
第二个关键步骤登场了。每刻一小段就切换成一种新的化学物质,叫八氟环丁烷,这种东西还是氟的化合物,但神奇的是它不和硅反应,甚至还可以保护硅,这样注入下去就给孔壁镀上了一层钝化保护膜,不会再被反应掉。
第三步,再切回到六氟化硫,刻蚀气体拿保护膜没办法,只能继续往下。一刻一护,几百上千个循环,一个深孔就这样打通了。
然后,最大的麻烦来了。每次刻蚀和钝化的一刻一护,孔倒是打通了,但是是像竹子一样一节一节的孔,微观上完全不光滑,一圈压着一圈,行话叫扇贝纹。这可不是美观问题,而是无法顺利通电的关键问题。因为孔打完要填铜走信号,如果铜顺着这样坑坑洼洼的孔壁生长,圈和圈之间形成尖角,尖角就会产生尖端放电,高频信号就从那里漏掉了。所以,就要控制这种纹的出现,让孔壁尽可能光滑。要控制到多光滑才能安全呢?答案是起伏之差要30纳米以内,只有这个量级,填进孔的铜才能顺利传递电信号。注意,孔本身是微米级的,但孔壁的起伏要压到纳米级了。
0.01毫米是我父母那代手艺人一辈子的一道,等于10000纳米。今天半导体厂的一道工序,要在他们极限的300分之一的尺度上做文章,而且不是做一个,是一片晶圆上同时做几十万个,一片接一片,天天做。
孔打完,后面每一步都有类似的工艺要求。
比如接下来是往孔里填铜,铜目前还是主要的信号传输介质(虽然我们已经在看很多依靠光传输信号的企业了,但铜仍是导电的王者)。先别急,填铜之前要做绝缘,因为铜直接挨着硅会渗进去,整片就废了。做法是把液态玻璃源,用低温化学气相沉积送进去。什么是化学气相沉积呢?就是把含有目标材料的气体(或者液体蒸发成的气)通进腔体,让它在晶圆表面发生化学反应,反应生成的固体就留在表面上,一点点长成一层膜,多余的废气抽走。这里的温度大概是200度,让玻璃均匀糊满整口细井的内壁,深宽比十几比一的细井,井底和井壁都要糊到,糊不住的地方,后面铜一填可就要出事了。
然后是PVD,就是更加经常听到的物理气相沉积。什么是物理气相沉积呢?不用化学反应,纯物理搬运。在真空腔里充上氩气(选氩气有两个原因:它是惰性气体,只负责“撞人”,自己不跟任何材料反应;原子又比较重,撞得动铜原子),电场把氩气电离成氩离子,氩离子被加速后轰击一块铜靶材,把铜原子从靶材上撞飞出来,铜原子飘啊飘,落到晶圆表面沉积下来,这就是常用的PVD过程。这一步实现了在孔里复上一层0.5微米的种子层的目的,薄无所谓,但必须连续,断一个位置后面电镀可就长不上来了。而且这层连续不连续,很难直接检测,全靠工艺保证。
最后,终于来到打孔的最后一步,就是用电镀往孔里填满铜,即让铜离子在电场驱动下往孔里沉积。然而,麻烦又来了:如果孔口和孔底长得一样快,孔口会先封死,底下留个空洞(这可是重大缺陷),外观又看不出来怎么办?工艺的答案是,必须用一种抑制剂,优先吸附在孔口,把孔口的铜摁住不让长,逼着铜从孔底往上填,这样填出来才能是实心。
但愿我的笔记记清楚了。你看,打一个微米级的孔,动用了化学、等离子体、材料、电化学四路人马,全程没有任何东西碰到硅片,改变却发生在原子层级的厚度上。机械加工时代,加工是把材料做成零件;微纳加工时代,加工是在材料内部和表面构筑功能,而且每一步都是非接触的。
微纳加工的众多工具
一个TSV孔,只是整个半导体制造非常细节的无数工艺之一。制造一颗芯片,还有远比这个环节复杂得多的微纳级别的加工工艺。比如:
光刻。光刻是定图形的一步。晶圆上先涂一层光刻胶,一种见光会改变化学性质的高分子材料。掩模版上做好了电路图形,光透过掩模,经投影物镜缩小,把图形印在光刻胶上,因为曝光过和没曝光的胶在显影液里溶解速度不一样,洗一遍,图形就转移到胶上了。这套思路其实来自19世纪的照相制版,是半导体行业把它做到了物理极限。
极限由一条公式决定:能印的最细线宽,正比于光的波长,反比于镜头的数值孔径(数值孔径可以理解成镜头收集光的能力,镜头越大越贵,收光越狠)。所以光刻在过去的60年就干三件事:一是换更短波长的光,从汞灯的436纳米,到KrF准分子激光的248纳米,ArF的193纳米,再到EUV极紫外的13.5纳米;二是把镜头做得更大更贵;三是用各种工艺手段硬挤余量,比如浸没式光刻,在193纳米的镜头和晶圆之间灌一层纯水,水比空气折射率高,等于变相增大了数值孔径,又续了十几年命。
还记得前面那个858平方毫米吗?它就是这么来的。镜头的视场和分辨率在光学上此消彼长,收光越狠,一次能照的面积越小,工程上几十年权衡下来,视场就钉死在26乘33毫米了。单颗芯片的面积上限被锁死,想要得到更大的算力,只能把多颗芯片拼起来。GPU加HBM(高带宽存储,把多层DRAM存储芯片垂直堆叠起来的存储器,是今天AI算力芯片的标配)坐在一片硅转接板上,用TSV垂直打通,用微米级布线横向连接,这就是现在最热的2.5D先进封装。2.5D是多颗芯片并排坐在一块转接板上,再往上还有3D封装,把芯片直接垂直摞起来互联,用的是混合键合这类更难的工艺,这方面目前世界上最先进的仍然是台积电。
刻蚀。光刻定的是平面图形,刻蚀负责把图形刻进材料。湿法刻蚀用药水腐蚀,便宜,但腐蚀不分方向,往深里刻的同时往横里扩,线宽细了就糊,所以先进制程全部用干法刻蚀,TSV打孔那段讲的就是干法的一种。所谓干法,就是不用液体药水,把气体打进真空腔、用电场电离成等离子体来干活。干法里方向性从哪来?等离子体在电场加速下垂直轰击表面,横向的腐蚀被钝化膜摁住,方向就是这么人造出来的。
掺杂。掺杂的作用是改变硅的电学性质,所谓半导体,不就是需要改变导电的性质吗?纯硅导电很差,往特定区域打进硼或者磷的原子,硅就变成P型或N型半导体,晶体管就是这么来的。早年的做法是把晶圆放在含掺杂元素的气体里加热,让原子自己扩散进去。现在用离子注入:把掺杂原子电离,在电场里加速到几万电子伏,像子弹一样射进硅表面,深度和剂量都能精确控制。打进去之后晶格被打得一团乱,还要退火,加热让原子归位。这道工序最能说明微纳加工的思路:不是把材料做成形状,而是直接改写材料内部的成分。
还有一道工序是机械时代的老熟人,就是抛光。芯片里几十层铜导线,每填完一层,表面高低不平,用CMP化学机械抛光磨平。名字里化学和机械各占一半,原理也真是这样:抛光液里的化学成分先和晶圆表面反应,生成一层容易去除的软化层,研磨颗粒再把它机械磨掉,化学软化和机械磨削协同,才能做到全片纳米级的平整。旧工具在新标准下服役,这样的事在半导体厂里不少,比如切晶圆用的划片机,金刚石砂轮喷水切,今天还得买日本DISCO和东京精密的。
另外,材料自己的特性也在微纳加工中广泛利用。硅是晶体,原子排成周期性点阵,不同晶面原子密度不同,某些碱性腐蚀液对(100)晶面腐蚀很快,对(111)晶面几乎不动,速率差上百倍,于是腐蚀液会自己沿着慢腐蚀面停下来,就能刻出原子级平整的斜面了(这可比任何可见的刀厉害多了)。我们不需要机械的磨具了,晶体的点阵自己就是模具。不过换成玻璃就不行了,玻璃是非晶体,原子排列像冻住的液体,没有方向性可用,现在做TGV玻璃通孔,只能靠激光先把局部打伤,再用氢氟酸选择性腐蚀受伤区域,这是微观上不同的路线。
以上这些半导体的制造工序显然不同,不过也有共同的特征,试着总结一下:第一,全部是非接触或弱接触,没有人拿工具刮纳米级的表面,工具是光、电子、离子、等离子体、化学势。第二,全部利用统计规律而非操控单个原子,一次刻蚀是天文数字的氟自由基同时反应,工艺控制的对象是速率、方向、选择比等等这些统计量。第三,每一步都必须配量测闭环,因为肉眼看不见,只能信了设备再做,做了再测,测了再修参数,所以量测和检测设备同样是技术含量极高的环节。
看都看不见,怎么干活
微纳加工有个绕不开的前提:做出来的东西,人眼一样都看不见。
光学显微镜的极限大约半个波长。可见光里最短的紫光是400纳米左右,所以光学能看到的最小东西约200纳米(这个就不解释了)。原子直径0.1到0.3纳米,是光波长的几千分之一。用光看原子,再好的镜头也不管用了。
人眼是演化的产物。演化只要求眼睛解决草丛里有没有老虎这个尺度的问题,但世界的尺度并非如此。原子、电子、场,世界的绝大部分现实都在窗外。眼见为实在宏观世界是好用的近似,到这个尺度,是必须戒掉的偏见。
那怎么办?人类实在是太聪明了,我们继续聊:1931年鲁斯卡造出第一台电子显微镜,距离德布罗意1924年预言电子是一种波,只隔了7年。电子的波长等于一个常数除以它的动量,加速到15千伏,波长压到约10皮米,比原子间距小几十倍,理论上够格看到原子了。鲁斯卡那台是透射电镜,电子束穿过切得极薄的样品成像,看内部结构。往后人类看微观世界的工具一路发展:1938年扫描电镜的概念提出,电子束在样品表面逐点扫描,1965年商用扫描电镜上市,半导体行业从此有了日常的眼睛;1981年扫描隧道显微镜发明,一根针尖悬在样品表面不到一个纳米,靠隧穿电流对距离的极端敏感,第一次直接数出了表面的原子,1989年IBM用它把35个氙原子摆成了三个字母;1986年又有了原子力显微镜,用一根微悬臂感受原子间的力。到今天,纳米尺度的观测已经是一整个家族,各有各的看法。
做投资,让我有机会看过做CD-SEM量测设备(这是专门用来量线宽的扫描电镜,是晶圆厂产线上的标配量测设备)的公司,也看过做场发射电镜的仪器公司。这类设备拆开,每个部件都是一段物理学史:
首先,电子从哪来?场发射电镜的电子源首先需要的是一根钨针,尖端曲率半径只有几十纳米。这么细的纳米级的针尖是怎么做出来的?好,先用电化学腐蚀:钨丝插进氢氧化钠溶液里通电,液面处溶解最快,钨丝越溶越细,最后下半截靠自重断掉,断口就能留下纳米级的尖端。用微观工艺造微观工具,这个行业就这么实现了。
我们继续。纳米级的尖端出现之后,要在针尖上加强电场,每厘米几千万伏,什么概念呢,闪电击穿空气只要每厘米3万伏左右,这是闪电的一千倍。电场把金属表面的势垒压到极薄,电子可不靠能量翻过去,而是直接穿过去,这叫量子隧穿(经典物理里没这回事,而量子力学允许粒子有一定概率穿过其能量上翻不过去的墙,只要墙足够薄)。低端的钨灯丝电镜走的是笨办法,把钨丝烧到2000多度,靠热把电子蒸出来,源又大又散;场发射靠隧穿,源又小又亮又相干,分辨率才能压到1纳米以内。
其次,电子怎么走?电子带电,磁场让它走螺旋线。线圈磁场设计得当,从同一点出发的电子会重新会聚到一点,这就是电磁透镜,对电子的作用等于玻璃透镜对光的作用。1897年汤姆逊就是这么发现电子的:让阴极射线穿过电场和磁场,靠偏转量算出这种微粒的电荷和质量之比,发现它比最轻的氢原子还小近2000倍,人类第一次知道原子不是最小的。今天每台电镜的电子柱,物理上还是那根真空管,只是精度到了纳米级。还有个小部件叫消像散器,磁透镜加工不可能完美对称,电子束截面会变椭圆,图像一个方向清楚一个方向糊,消像散器用一组多极线圈产生反向的畸变,把椭圆再掰回圆。
最后,信号从哪来?电子束打到样品上,把表层几个纳米里的电子撞出来,这叫二次电子(打进去的叫一次电子,被撞出来的叫二次电子)。无巧不成书,人类发现二次电子的产出多少对材料表面的形貌极为敏感,边缘、尖角处多,平面少,所以电镜图像就依据这样的敏感度产生了立体感。比如用CD-SEM量半导体上的线宽,量的不是几何宽度本身,利用的就是二次电子强度沿扫描线的分布曲线,再从曲线反推边缘的位置,从而看到了纳米级的世界。探针电流5到30皮安,落点能量0.5到2千电子伏,这些参数调的都是同一件事:电子打多深、撞出多少信号,同时不能把样品打坏。能量太高电子钻进深处,边缘信息糊掉;电流太大样品充电,图像漂移。
所以,体会一下带领人们走进微观加工世界的电镜。电镜里可没有图像,屏幕上那张形貌图,是探测器计数重建出来的数字,本身连颜色都没有,彩图是算法加的伪彩,是拟人化的修辞手法。在纳米尺度,人类拥有的从来不是图像,而是相互作用的数字结果。你问一个东西长什么样,实际问的是:我拿什么去碰它,它会怎么回应我。
量测的目的也不是知道尺寸,而是找到原因。芯片制造几百道工序,良率掉了,是哪个环节掉的,只能靠每一层的线宽、套刻、缺陷数据往回追。没有量测就没有制造,在看不见的世界里,这两件事是一体的。
精度还有另外一件非常重要的事情,运动控制。光刻机的工件台托着晶圆高速扫描,同时把位置误差压在纳米级,靠的是激光干涉仪做位置反馈(把光波当尺子,两束光走不同路径再汇合,干涉条纹的移动就对应位移)、压电陶瓷做微动补偿(这种陶瓷通电就变形,形变量跟电压严格成比例,是最常用的纳米级肌肉)。说起来其实就是:在一个振动无处不在的世界上,让一个平台稳定控制在纳米的尺度以内。
感知、控制、工艺,三个方面的突破,才一起支撑起人类在纳米尺度上的手脚。
微纳加工时代走到哪了
前面说的这些,大部分在2010年代之前就有了,微纳加工时代真正的成年礼在2010年代。
在那之前,光刻虽然微观,思路还是光学投影,图形是光印出来的,算半个旧思路。到193纳米浸没式走到头,线宽再也缩不动,人类被迫全面换打法:EUV把波长砍到13.5纳米,光源是用激光每秒5万次轰击落下来的锡液滴,让锡变成等离子体发光;多重曝光把一个图形拆成几次印,每次印松一点,叠加出细图形;原子层沉积让材料一次只长一个原子层,两种气体交替通入,每种在表面自动吸附一个单层就停下来,没有人看得见那一层,但厚度可以靠化学反应保证,所以敢量产。加工的每一步都不再有直接的物理对应物,不是光照出一个图形,而是几十步物理化学过程统计性地堆出一个图形。到这一步,制造的对象、工具、精度、观测方式四个维度全部换完,新的微观时代才算真正到来。
再往下走,线宽到了几纳米,晶体管里导电的沟道只有几十个原子长,电子开始不听经典的话了。隧穿效应让电子穿过本该关断的栅极,漏电成了先进制程最大的敌人之一。微纳加工时代的工具箱,在这个尺度上碰到了量子世界的门槛,我们终于说到量子了,这是聊微观世界一定会遇到的。
前面说电镜的时候你注意到了吗,同一个隧穿效应,在场发射电镜里是电子源,在扫描隧道显微镜里是整套工作原理,在闪存芯片里被用来写入数据。量子效应在制造里是麻烦,在仪器里是工具,区别只在你站在哪一边用它。而现在的趋势是,人类下一步要越来越系统地站到有利的这一边:量子计算干脆把量子态本身当作计算的载体。到那个时候,加工的对象、量测的对象、计算的对象,全都是量子系统。微纳加工时代的尽头,不是一个更细的机械时代,而是人类开始直接在量子世界里施工了。
量子世界,完全脱离了我们的直观认知
量子世界的施工规则,和前面说的全部工艺又完全不同了。
量子力学里说的波,不是物质在振动,也不是能量在传播。水波是水在动,声波是空气在动,而量子性中所谓的波函数描述的波,可不是我们通俗认为的波动,而是可能性的波。一个量子客体,不碰它的时候按波动方程演化,表现出干涉、叠加这些行为;碰它的时候,给出的总是定域的、颗粒状的结果。粒子和波都不是它的本体,是它跟世界发生关系的两种方式(这一段搞不懂是正常的)。
量子性最小的单位是二,也就是一对儿。一个量子比特的状态由两支组成,0一支,1一支,两支之间有确定的相位关系,像两列波之间有固定的步调。为什么要两支?因为物理上能测到的只有差异,单独的相位测不出来,两支的相位差却会在干涉实验里变成明暗条纹的位置。量子比特比经典比特多出来的全部东西,就是这层相位关系。相干是同一个系统内部两支的锁定,纠缠是两个系统之间的锁定,可以理解为同一种东西的两个方面。
这层关系极怕碰,碰了就坍缩。脆弱的量子系统不可能完全孤立,庞大复杂的环境中的空气分子、光子、晶格振动、热噪声都在跟它相互作用,每次相互作用,环境都顺便带走一点信息,或者理解为形成对量子性的一点破坏。相位关系被分摊到系统加环境这个巨大联合体里,收不回来,叠加态就退化成了一摊经典概率,量子性就消失了。这个过程也叫退相干。
退相干的速度跟系统的大小、温度、跟外界纠缠的深度正相关。一只猫这样庞大的宏观物体,退相干时间大约10的负22次方秒,宏观叠加态几乎在出现的瞬间就被环境拆散。所以薛定谔的猫从来不是一只悬在生死之间的猫,真实的猫每时每刻都在被自己体温辐射的红外光子和体内亿亿个分子的碰撞反复确认着,永远处于确定的态。退相干快,不是猫的存在被取消,恰恰相反,是猫的存在被环境每秒10的22次方次地固定着。生命和我们所见的宏观物体,其实就是退相干的产物。
把时间当一把尺,量子世界和经典世界的关系就排清楚了。猫在10的负22次方秒,超导量子比特在微秒到毫秒,被囚禁的单个离子能到秒级。人类打算利用量子的属性做的量子计算,是一场伟大的微观工程实践。大体上的做法,就是比如用10毫开尔文的低温、超导材料、量子纠错,把相干时间拉得尽可能长,目前超导、离子阱等几条路线都在往前走,这里就不再展开。
我曾经以为,量子世界只存在于微观,其实宏观上竟然也有:超流体氦,几亿亿个原子共享同一个相位,黏度为零,会自己爬出杯壁;中子星,直径20公里的宏观量子系统,量子状态保持亿万年。宏观和微观倒不完全是量子性的界限,是否足够孤立、足够纯粹、足够自由才是量子性的根源。相互作用是客观的,但系统和环境的划分握在观测者手里,所谓破坏量子性的环境,就是所有你无法控制、也不打算观测的自由度的总和。人类所感知的经典世界,仅仅是量子世界在一个视角上的切片,也许,量子世界才是宏观,而我们,反而是那么的微观。
顺手说一下,最近在翻看中科大那套国家基础科学人才培养基地物理学丛书里的《原子物理与量子力学》,这套书2008年初版,2025年出到第三版。我翻看第三版增订了什么,加的恰好是三块内容:量子系统被外界含时驱动怎么演化、磁共振以及量子测量中环境对仪器的影响。这三块,正是量子比特操控和退相干的基础。一套教材每次再版增加什么,就是这门学科认定下一代工程师必须会什么。
扯远了,回到制造。机械加工的时代和微纳加工的时代出现了巨大的代际差异,而微纳加工时代和量子世界之间,其实没有一道门槛。人类过去60年做的事,是把器件一路做小,做到量子性自己冒出来了;现在做的事,是学会保存它、利用它,做量子的通讯、测量,甚至计算。TSV孔壁上的30纳米扇贝纹,和稀释制冷机里那个10毫开的量子比特,以及超导路线的量子计算机,其实走在同一条路之上。
制造的新时代
我父母那一代的制造,一个人、一台机床、一双手,0.01毫米是他们一辈子的功夫。而我们当下所在的时代,能碰它的早已不是双手了,一层原子、一束电子、一套算法,工件在真空腔里、在电子束下、在人们对数学和物理的娴熟驾驭之中。
从游标卡尺到扇贝纹,人类的制造已经翻天覆地。那么,下一个60年会怎么变呢?制造的方法和对象大概率会演进到量子态本身。到那时候回看今天,晶圆厂大概也会像今天的机械车间一样,成为上一个时代的手艺吧。