01
晶片的地基是根本
為了做出更強大的晶片，半導體產業鏈各家大廠一會推出新的封裝設計，一會引進極紫外光刻機來刻出更小的電路，但任何工藝都離不開一個好的基底，也就是晶圓上的那層薄膜。
首先要老話重提，半導體是個非常龐大的產業，任何一家企業都不可能獨立完成晶片製造，因為晶片製造所涉及的大量材料及裝置，例如矽金屬材料的開採、晶圓、光刻膠、光刻機等都來自全球各家企業。但是要從生產製造層面來看，晶片製造的關鍵其實就是“光刻工藝”，也就是用光刻技術在晶圓上製作微小電路圖案的過程。
光刻工藝簡單說，就是一層層地在晶圓上蓋材料，逐漸向上組合出自己需要的電晶體機構和線路，像蓋房子或者玩俄羅斯方塊。
具體拆分光刻工藝整個過程。工程師會先在絕緣的晶圓上沉積一層層只有原子厚度的材料，它可能是絕緣體、半導體也可能是銅導電層，但一定要分佈地十分均勻，說3奈米就只能是3奈米，一點不能多也一點不能少；為了能在這層薄膜材料上雕刻出想要的圖案，還要塗一層光刻膠，這是一種對光敏感的聚合物，由於它們對光的反應不同，從而決定了曝光後圖案的形成方式。
值得一提的是，光刻膠也被稱為化工業的“聖盃”。我國半導體企業太紫微光電前幾天剛宣佈，配方完全自主的KrF光刻膠（主要用於製造90奈米到45奈米節點的晶片）產品已經通過了半導體工藝驗證，這算是國際上比較常規且走量的一款光刻膠，用處很多。當然，要想突破更先進的晶片製程，就需要ArF光刻膠和EUV光刻膠，這個以後可以細說。
塗上了光刻膠之後就是曝光，使用掩模版將電路圖案投影到塗有光刻膠的晶圓上，讓光刻膠上只留下工程師想要的圖案。半導體前道裝置中最關鍵的光刻機就是在這一步使用，如極紫外（EUV）光刻機，它的厲害之處就在於波長短、解析度高，能刻出更復雜精細的電路圖，來應付各類新設計。
然後就是蝕刻，即使用化學或物理方法將光刻產生的光刻膠圖形，包括線、面和孔洞，準確無誤地轉印到光刻膠底下的材質上，以形成積體電路的複雜結構。全球刻蝕市場長期由美國泛林、應用材料公司和日本東京電子瓜分，合計佔據九成市場份額。直到2020年，中國的中微公司和北方華創，才在刻蝕裝置市場拿下了2%出頭的份額。
整個流程結束後，要再換個材料重複沉積、光刻、蝕刻這一流程，就這樣，由下而上一層一層造出來“摩天大樓”。
說這麼多隻是為了讓讀者能更好理解：當我們想要製造出更薄、效能強大又穩定的晶片時，最底層的薄膜沉積有多重要。但想讓晶圓上“長”出均勻的薄膜並不簡單，這也是為什麼“薄膜沉積”能與“光刻”“蝕刻”一同並稱為晶圓製造的三大核心步驟。
02
能控制自己的ALD技術
想實現對薄膜的精確控制，原子層沉積技術（ALD）呼聲是最高的，只不過它更適用於半導體先進製程，也就是2奈米及以下的晶片，目前業內應用最多的還是化學氣相沉積（CVD）。
材料學家開發了很多種選擇來處理薄膜沉積任務，大致分為兩類：物理與化學。物理氣相沉積（PVD）包括真空蒸鍍、濺射、分子束外延、脈衝鐳射沉積、離子束輔助沉積等等；化學路徑下主要就是化學氣相沉積和化學液相沉積。不同的材料、溫度條件下，其實可以選擇不同的薄膜製程，只不過在半導體領域，還是CVD用的最多——而ALD實際上就是CVD的改良版。
CVD的原理在於，讓兩種或兩種以上的氣態原材料匯入到一個反應室內，使其相互之間發生化學反應， 形成一種新的材料，以外層薄膜的形式沉積到晶圓表面上。這就像“AB膠”，兩種膠水本身沒黏性，但是一混合就成了固體粘合劑。
快速又高效的CVD雖然應用廣，但它本質上還是一個巨大的化學實驗，因此氣態原材料的選擇、它的溫度，反應物的濃度、反應時間甚至晶圓基板的溫度都會影響到沉積物的厚度和均勻度，導致CVD的控制精度比較低，尤其是在晶片構造越來越複雜的當下，它實在有些力不從心。
升級版的ALD主打一個高精度。CVD的沉積過程是持續的，ALD則是交替脈衝式地將氣態原材料合成的化合物（也稱氣體前驅物）匯入反應室內，使其交替在晶圓表面被吸附併發生反應。
ALD形成薄膜之精確，靠的是它的“自限制性”。這個意思是，當注入前驅物A時，它只會與晶體基材表面發生反應，而不會不斷疊加，所以得到的就絕對只有一層分子，且這個反應會隨著表面空間的飽和而停止，這就是自限制性的表現；這個時候再注入前驅物B，兩個前驅物之間會產生反應、自動停止，形成我們需要的原子層。
“原子層沉積”一次最多隻留一層，多餘的會被清理掉——會透過注入惰性氣體把多餘的前驅物和反應副產品帶出來出來。整個過程至少需要0.5秒，培養出的薄膜厚度大約為0.01-0.3奈米，如此交替反覆之下，一層層地摞，一層層地長，最後形成或薄或厚的膜。
這方面國產化其實也在突破。2010年成立的拓荊科技，主要就是生產半導體領域薄膜沉積裝置的，他們的主要產品線就包括原子層沉積(ALD)裝置，且已廣泛應用於國內晶圓廠14奈米及以上製程積體電路製造產線，並已展開10奈米及以下製程產品驗證測試。實際上，國內目前除了高階光刻機外，其他半導體裝置基本都能自研。
另外，ALD特別適合用在複雜的三維結構中，而且不僅限於晶片，動力電池也能用。我們知道，鋰離子電池容易因為外部刺激導致電池內部生長鋰枝晶，進而造成短路或者熱失控。
ALD可以沉積一層保護膜在負極或正極上，比如透過ALD技術精確地沉積一層均勻、緻密且穩定的SEI（固體電解質介面）膜，替代電池充放電過程中自發形成的SEI膜，不就直接有效地抑制鋰枝晶的生長了？
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編輯｜張毅
稽核｜吳新
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