蝕刻機的原理是什麼?這得從5000年前說起...丨AC茂的模

當光刻機將圖案在光刻膠上刻好後
晶圓會出現被光刻膠覆蓋的部分
和光刻膠被清除掉了的裸露部分
然後我們將來到石刻步驟
石刻的目的就是把沒有被光刻膠保護的區域去掉
並留下被光刻膠保護的區域
那麼既然光刻機的精度已經高得令人髮指了
那石刻機的精度不跟上就說不過去了吧
你想想
你好不容易刻出來了十根並排在一起的又直又漂亮的五納米線
石刻完這十根線又全粘到一起
變成一坨又醜又粗糙的一百納米線了
你的血壓是不是瞬間拔地而起
所以在芯片的製造中
石刻機的好壞也起到了決定性的作用
那麼石刻究竟是什麼呢
石刻的原理其實同樣非常簡單
就是通過使用強酸強鹼等各種化學物質與物質表面起化學反應
從而在物質表面創建凹板圖案
簡單來說就是通過把物質表面挖掉來畫畫
現代石刻工藝除了強酸強鹼外
還會使用各類液體化學物質或者等離子氣體等
反正目標只有一個
將你想要加工的材料反應生成液體或者氣體
從而從物質表面被剝離下來
舉例來說
鋁能和氯化物生成易溶於水的氯化鋁
那就用氯氣石刻鋁
碳和氧氣能生成二氧化碳
那就用氧氣來石刻石墨烯
基因太穩定了
好像不太好石刻
沒關係
來給公子餵網水
和光刻這種半路出家不同
人類的石刻歷史那可是淵源流長
人類最早的石刻記錄出現在公元前三千年的印度河流域
在當地的考古遺址中
科學家發現了有繭石刻出的白色圖案的瑪瑙珠
之後還在美索不達米亞和古埃及遺址中發現了同類瑪瑙珠
這一發現甚至成為了人類最早的幾大文明之間貿易行為的重要證據
而早在春秋戰國時期
中國就開始用強酸石刻青銅器等金屬製品
歐洲中世紀時期
酸石刻出複雜圖案的武器、盔甲、餐具一度成為風潮
甚至是當時意大利的出口支柱之一
不過現代石刻工藝的雛形是隨著藝術的興起而出現的
隨著文藝復興運動席捲整個歐洲
人們對藝術的追求與日俱增
全新的藝術形式也在不斷被開發出來
德國的木刻藝術家丹尼爾·霍普菲爾除了製作木板畫以外
還幫貴族製作盔甲和武器
他在16世紀初首先開發出了通過將盔甲由帶圖案的金屬板遮住
然後塗上強酸使圖案被石刻在盔甲上的工藝
並且由他的兒子們開發出了更複雜的技術
直接導致了商業石刻印刷的產生
之後德國藝術家阿爾·布雷希特·丟勒向霍普菲爾學習了這個技術
丟勒也是個木刻板畫藝術家
他對幾何學、透視學和人體解剖學都有很深的研究
這導致他創造出了人類最早的擁有細緻特徵的字畫像
被譽為字畫像之父
丟勒將石刻技術用在了金屬板畫上
並於1515年創作出了人類最古老的石刻板畫
石刻板畫技術一經出現立刻在藝術家中流行起來
而由於石刻技術不要求人們去學習複雜的雕刻手法
所以甚至沒有經過系統訓練的人也能輕鬆掌握
之後經過數百年的發展
石刻工藝越來越成熟和精細
幾乎佔領了整個印刷業
特別是在經過17世紀荷蘭最偉大的畫家
倫布朗的作品加持後
更是達到了頂峯
然後不出意外的
石刻技術成功地消失了
在隨後的很長時間裏
石刻畫只有少數復古藝術家時不時畫著玩玩
其他地方根本見不到了
這是因為在18世紀末期
平板印刷術被開發出來了
這玩意又方便又好用又便宜
重點是它是彩色的
是彩色的
彩色的
石刻印刷你來一個試試
平板印刷術你可能並不熟悉
沒關係
由它發展出來的膠版印刷總聽說過吧
也就是現今人類最常用的印刷技術
你手邊隨便哪本書都是這種技術印刷出來的
並且就原理來說
光刻技術也是由平板印刷開發而來
甚至連英文都是同一個詞
主動燃鬥其樂屬於是
在石刻被光刻
被平板印刷殺得丟盔卸甲後
幸好並沒有被完全遺忘
終於在1850年到1930年前後出現了石刻復興
1850年前後
法國
英國
美國等國的石刻版畫價格突然被莫名其妙地炒了起來
這導致了許多藝術家重新開始創作石刻畫
石刻工藝也重新開始發展
鑄鋼印板等全新技術紛紛出現
大大增加了石刻的精度和實用性
在這一時期
石刻版畫甚至火到出圈
1891年
美國小說家霍雷肖·阿爾傑在他的小說中
描述了一個女人寫信給男友說
我有一套新的石刻版畫
你要不要晚上來看看的情節
你想來看看我的石刻版畫嗎
一時間成為了當時青年男女
邀請另一半來自己家做一些波不得的事情的流行語
石刻的春天再次到來了
然後又不出意外的
大蕭條來了
石刻版畫收藏泡沫迅速崩潰
石刻的市場已在傾刻間消失得一乾二淨
不過好在這次石刻技術卻沒跟著消失
由於此時各種工業製造技術的發展
石刻技術也找到了自己的新市場
1927年
瑞典製造商阿法拉法集團提交了一份專利
首次通過化學石刻來進行零件加工
後來這一技術開始被用於切割金屬板
硬金屬的薄化加工等各種生產
現在一般稱為化學洗切
那麼當芯片製造這類需要表面微細加工的產業誕生的時候
石刻自然被立刻用了起來
現在的石刻工藝主要分為兩種
濕石刻和等離子石刻
濕石刻比較傳統
也是最早被使用的技術
濕石刻依然是使用各類酸鹼來進行石刻加工
在材料覆蓋了石刻掩模後
將材料整個進入石刻溶液中
溶液就會接觸沒被掩模覆蓋的地方
從而產生化學反應
將表面帶走
但這個方法有個問題就是它是各項同性的
也就是說
當材料表面順著掩模被石刻了一層後
掩模下面的材料會形成一個新的橫界面
然後溶液會開始石刻這些橫界面
進而鑽到掩模的下面
這樣石刻出來的圖案精度勢必不會高
為瞭解決這個問題
各項異性濕石刻被開發了出來
其實這個方法並沒有本質上的變化
只是利用了某些溶液對晶體各個方向反應的速率差
比如氫氧化鉀更容易和單晶硅的平面
而不是斜面反應
這樣如果使用氫氧化鉀來石刻單晶硅
溶液並不會侵入到掩模的下面
反而會形成一個倒梯形結構
越往下被石刻的面積會越小
當然雖然這樣精度好了很多
但對於很多真正意義上的晶矽加工來說
這種倒梯形結構也是不能忍的
所以對於芯片這種納米級玩意兒
只能使用等離子石刻
等離子石刻也被稱為乾石刻
它不使用任何溶液
而使用各類等離子氣體
等離子石刻機會將相應的氣體等離子化
然後用它來轟擊物質表面
由於等離子氣體具有高能自由基
所以會很輕易地和物質反應
反應後的生成物也都是氣體
這些氣體隨後會被真空泵抽走
雖然由於原理相同
等離子石刻和濕石刻一樣也是各項同性
所以需要調整氣體以達到各項異性
但畢竟是由單個的粒子轟擊表面
所以精度被大大提升
目前濕石刻法主要是用於
精度要求不那麼高的工業生產
畢竟這玩意兒便宜
而且方便快捷
例如我們經常看到的那種綠色電路板
就大多是由濕石刻法製作的
同樣的
由於許多材料沒法找到相對應的氣體
所以也只能用濕石刻法
如今總不能整個等離子網水對著它噴吧
石刻機在芯片製造上如此重要
那老美自然也是要作妖的
不過幸好石刻機不像光刻機那麼複雜
所以還有救
當然也多虧了一位天降猛男
2004年
在英特爾應用材料公司工作多年的
石刻技術專家尹之堯從美國回國後
放慢了中微並開始自主研製石刻機
毫不意外地
他被美國以竊取石刻技術機密為由
告上了美國法庭
然後他勝訴了
然後又被告了
然後又勝訴了
就這樣在和美國政府的拉扯中
中微的石刻機反而越做越好
直到最後成為了世界五大石刻機供應商之一
終於在2018年到達7納米精度後
美國政府看搞不了事兒了
就將石刻機從對華限制出口名單中刪掉了
2020年底
中微開始向臺積電提供5納米精度石刻機
標誌著中國石刻機終於走在了世界前列
雖然目前還無法達到美國範林集團的3納米
甚至更高精度的世界最高水平
但相信追上國際頂尖的技術只是個時間問題