单片机IC芯片开发之刻蚀机的作用

如今，单片机IC芯片的制造不断追求更小化，以达到降低能耗、提高性能的目的。为了解决这一问题，新的芯片制造工艺设计应运而生，单片机IC芯片内部平面的结构变成了3D。运用单片机IC芯片设计图加上设计好的加工工艺流程，加工过程中需要运用刻蚀机在晶圆上把复杂的3D图形一层一层“堆叠”起来，实现单片机IC芯片的更小化。

芯片，本质上是一片载有集成电路（IC：Integrated circuit）的半导体元件，而IC设计就是在芯片上设计电路，用来实现逻辑功能以满足客户的特定需求，可以说，好的IC设计是后续芯片制造的基础。

我们先来说一下单片机IC芯片的从设计到制造的大致流程。

先是单片机IC芯片的设计，包含电路设计—设计版图—制作光罩；接着是晶圆生产，由晶圆裸片—利用光罩光刻—得到晶圆—测试后的晶圆；到芯片封装，包含晶圆切割—芯片焊线—芯片封装；最后是芯片测试，包含芯片成品测试—得到芯片成品。

所谓单片机IC芯片制程，就是晶体管中栅极的最小宽度，即栅长的数值，也就是我们经常看到的XX nm

单片机IC芯片除了要达到芯片设计的要求外，单片机IC芯片的制造不断追求更小化，以达到降低能耗、提高性能的目的。而芯片的性能与电路中晶体管数量息息相关，单位面积上晶体管的数量又与芯片的制程紧密联系。

　　随着技术的不断升级，栅极宽度越来越窄，当制程逼近20纳米时，栅极对电流的控制能力会急剧下降，出现“电流泄露”问题；当制程逼近10纳米后，漏电问题就会变得十分严重。而漏电率如果不能降低，CPU 整体性能和功耗控制就会变得十分不理想。

　　为了解决这一问题，新的芯片制造工艺设计应运而生，典型的代表就是鳍式场效应晶体管 (FinFET：Fin Field-Effect Transistor)。这种新的晶体管设计使得单片机IC芯片内部平面的结构变成了3D。

栅极形状的改制使得接触面积增大了，这在减少栅极宽度的同时能够降低漏电率，并且让晶体管的空间利用率大大增加。

现在，有了IC设计图，也有方法减小更小制程带来的漏电问题，接下来要做的，就是设计好加工的工艺流程，也就是在晶圆上把复杂的3D图形一层一层“堆叠”起来。

　在芯片的实际制造过程中，步骤会因为不同的材料和工艺而有所差异，不过大体上皆采用这样的类似工艺过程，于是就需要用到光刻机和刻蚀机。

首先，在晶圆表面沉积一层薄膜，紧接着再涂敷上光刻胶（光阻），这时候光刻机会按照设计好的IC电路对应制造的掩膜版（光罩）将光束打在不要的部分上，这一部分的光刻胶就会变质然后被化学药剂清洗除去。

这之后，刻蚀机要按照光刻机“描绘”出来的线路进行更深入的微观雕刻，刻出沟槽或接触孔，然后，光刻胶被除去。

为了保证每次往上“堆叠”新电路的过程都能顺利准确地进行，刻蚀机的加工精度必须非常高，要达到纳米级。以16纳米制程的CPU来说，刻蚀过程的加工尺度为普通人头发丝的五千分之一，而加工的精度和重复性的误差更需要控制在这一数值的十分之一以下。

综上所述，刻蚀机是推进单片机IC芯片开发趋向更小化，降低能耗，提高性能的重要设备之一。