探索神秘的等离子世界（中）：当等离子体遇到芯片制造

在上期文章《探索神秘的等离子世界（上）：初识等离子体》中，我们为大家介绍了无处不在的等离子体，本期将具体为大家介绍芯片制造的艺术，以及等离子体工艺在芯片制造上的应用。

此前我们曾经提到，芯片制造其实就是版画艺术的高科技复刻。现在，我们就来逐步对比一下伦勃朗作画与芯片制造过程，具体如图1所示：

伦勃朗用来作画的铜板就如同芯片制造用的晶圆。 作画前伦勃朗会用蜡覆盖整个铜板，这个步骤就类似于芯片制造过程中用光敏聚合物（即光刻胶“掩膜”）来覆盖晶圆。很多其他类型的“胶膜”也可以起到同样作用。 伦勃朗会用尖锐的针头划破蜡封并露出部分铜表面；同样的，芯片制造会用紫外光来穿透掩膜并“画出”电路结构。 伦勃朗会将刻好的画板浸入湿酸溶液中以腐蚀曝露在外的铜并将图案转印到铜板上，同样的湿法刻蚀技术在芯片行业仍有应用，但现在大多数刻蚀过程都已经转用等离子体来完成。 完成后将掩膜从铜板或晶片上剥离即可。

要完成一个完整的画作，伦勃朗需要将上述过程重复十几次并不断丰富图案细节。相比之下，刻画一个存储芯片需要重复上述过程大约40次，而制造一个逻辑芯片则要重复超过100次。相对于伦勃朗用手工制作的版画艺术品，当今的半导体行业用同一套原理印刷的电路在体积上小了十万倍。

占据半壁江山的等离子体应用

在芯片刚刚开始量产时，其所有生产步骤都没有用到等离子体。直到20世纪70年代，当晶体管尺寸缩小到微米级，半导体工业才开始采用等离子体。其首个应用就是去除“掩膜”【图1(e)】，也就是使用氧等离子体来“烧掉”光刻胶。使用等离子体的主要优点在于能产生自由基，一种因不成对电子而具有极强反应性的化学物质。与气态同类物相比，自由基的反应性要高出数百倍，这一特性有助于加快生产过程，包括在剥离时通过原子氧自由基快速去除有机光刻胶掩膜，以及在沉积工艺中通过自由基在室温下的反应来保护芯片不受损坏。当然，这些应用仅仅是开始。

等离子体应用的重大突破发生在刻蚀步骤【图1(d)】。根据等离子体学说，等离子体刻蚀氧化物的化学过程最早是在剥离步骤中发现的。当时正在进行脱膜作业的工程人员发现聚四氟乙烯涂层的工具组件附近有刻蚀晶圆的二氧化硅(SiO2)，而其原因就是等离子体导致了聚四氟乙烯的分解。在前述发现的基础上，人们开始使用三氟甲烷（CHF3，一种聚四氟乙烯衍生物）来刻蚀氧化物。等离子体会将CHF3分解成CF、CF2和CF3等自由基，之后氟会迅速与硅结合形成挥发性的SiF4，而碳则与氧结合形成二氧化碳。这个化学过程与我们今天使用的过程并无太大区别。

通过等离子体刻蚀将图形转移到目标材料的过程必须满足非常严格的要求。简而言之，刻蚀通常需要遵循固定的方向，即只能自上而下而不能偏转。庆幸的是，等离子体应用的一个重要优势就是通过电场可以让等离子体中的带电离子向晶圆运动，这就便于将刻蚀控制在自上而下的方向上。相比之下，伦勃朗的酸浴法依赖同位素去除铜并实现掩膜底切，因此刻蚀后形成的单元在宽度上会超过掩膜上留下的图案，在单元尺寸达到10纳米级别的今天，这样的偏差是不能容忍的。因此，如今等离子体已经被用于约93％的刻蚀工艺步骤，此外剥离和沉积步骤中用到等离子体的比例也分别达到了43%和41%。总体而言，在制造芯片所需的150-500个工艺步骤中等离子体已经占据了半壁江山，而且目前没有其他可行的方法来代替这些用到等离子体的步骤。可以说，没有等离子工艺就没有电子工业的今天。

等离子体应用的需求将持续提升

我们以动态随机存取存储器(DRAM)为例来说明等离子体生产步骤在过去几十年间的增长。在DRAM刚刚问世的1970年，其生产步骤并没有用到等离子体。到1980年，DRAM生产包含仅四个等离子体刻蚀步骤，且晶圆需要手动装载。到了1990年（《纽约时报》文章发布后），用到等离子体的步骤已增加到十个，且工艺已实现自动化。到2017年，每个晶圆涉及的等离子体刻蚀步骤已跃升至近150个。起初，用干法（等离子体刻蚀）代替湿法（化学刻蚀）是芯片制造相关等离子应用增加的主要原因。近年来，等离子体应用不断增加则是由于人们需要加入更多的刻蚀和沉积步骤来制造结构更加复杂的芯片。

3D NAND就是一种典型的需要借助等离子体工艺的复杂结构。作为固态存储设备（例如U盘或相机存储卡）的闪存，3D NAND是一种存储单元堆栈结构，相当于立于晶圆之上的摩天大楼（图2）。最早的3D NAND堆栈为32层。为了提升存储密度，今天制造商已将层数提升至约96层，在未来十年内更可跃升至500层。就层数而言，3D NAND可以达到世界上最高的摩天大楼的三倍。

图2. 一个64层的3D NAND结构，类似这种复杂结构需要用到等离子体刻蚀和沉积技术，而人工智能革命又依赖于3D NAND这样的存储设备。

3D NAND生产中最具挑战性的步骤之一是刻蚀嵌入存储单元的孔洞。这些孔洞是在所有堆叠的薄膜沉积后才刻蚀的，就像先搭建好摩天大楼的楼层再在其中造出电梯井——其中的难度可想而知。即便表面开口由上至下仅发生0.1度的偏差就能导致孔径上开口的面积比下开口大出约20%，显然这种情况是不被接受的。要实现深宽比超过100:1的刻蚀，需要用等离子体驱动离子以超过100,000m/s的速度行进（比声速快300倍），仅仅制造出能实现这种速度且不会崩坏的反应器就是一大挑战。如果等离子体刻蚀没有出现，制造商可能根本不会考虑使用3D NAND结构。正是多年来等离子体刻蚀领域取得的各种发展和成就才让如今的3D NAND存储芯片成为可能。展望未来，更具挑战性的制造需求必然会出现，随着芯片结构与规模的不断扩展，等离子体的关键作用将愈发凸显。

既然等离子体工艺如此重要，为何很多人并不知道它的存在？电子产业的规模非常庞大，年产值达约2万亿美元。作为该行业的先驱，半导体行业估值达到约5000亿美元——其每年的设备采购费用达到约500亿美元，其中约200亿美元用于购买等离子体设备，相当于一个小国的GDP，且半导体可能是迄今为止利润最高的等离子体应用。然而，在推动电子行业发展的同时，等离子体技术在该行业市值中的占比只有1%。所以，仅从经济学角度来看，大多数消费者可能永远不会知道等离子体已经被用于制造芯片，不仅仅是手机芯片，人们日常使用的所有电子设备几乎都涉及等离子体工艺。

展望未来，随着数据需求的日益增长，人们将需要更多更好的等离子技术。很快，世界上将有超过1000亿台相互连接的设备在生成数据，其中很多还是实时数据，而这些都需要经过存储和分析。新兴的人工智能学习技术所依赖的重复数字过程也需要强大的存储和处理能力才能实现。仅在未来四年内，人工智能革命就可以将NAND位宽推高3-4倍。这种情况下，整个半导体行业将继续成为最大的受益者，而对更好的等离子工艺的需求自然也会不断提升。

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