【微纳加工入门】什么是光刻、刻蚀、镀膜？它们在芯片制造中起什么作用？

在当今高度信息化的时代，芯片（集成电路）作为各类电子设备的“大脑”，几乎无处不在——从智能手机、电脑，到汽车、人工智能设备，再到航天与国防系统，都依赖于芯片的强大计算与控制能力。

然而，一枚指甲盖大小的芯片，内部却集成了数十亿甚至上百亿个晶体管，这些微小的电子元件是如何被精准地制造在硅片上的呢？答案就离不开一项关键技术 —— 微纳加工。

在微纳加工众多工艺中，光刻、刻蚀、镀膜被称为芯片制造的“三大基础工艺”，它们协同工作，将设计图纸上的电路图案，一步步“雕刻”在硅片上，最终形成具有复杂功能的集成电路。

那么，究竟什么是光刻、刻蚀、镀膜？它们分别起到什么作用？本文将带你一文看懂这些“微缩世界里的制造艺术”。

一、什么是微纳加工？

微纳加工（Micro-Nano Fabrication）是指在微米（10⁻⁶ m）到纳米（10⁻⁹ m）尺度上，通过一系列物理、化学方法，在材料表面或内部制造出具有特定功能的微结构、微器件或集成电路的技术。

它广泛应用于：

• 半导体芯片制造

• 微机电系统（MEMS）

• 光电子器件

• 传感器

• 纳米技术 等领域

微纳加工的核心目标就是：在极小的尺度上，以极高的精度，构建出具有特定功能的结构。

二、微纳加工中的“三驾马车”：光刻、刻蚀、镀膜

在芯片等微纳器件的制造过程中，有三大关键工艺承担了构建图形与结构的主要任务，它们分别是：

1. 光刻（Photolithography）：“画图”，把设计好的电路图案“印”到硅片上；

2. 刻蚀（Etching）：“雕刻”，把不需要的材料去掉，保留下想要的图案；

3. 镀膜（Deposition）：“覆盖”，在表面上沉积各种功能薄膜，如绝缘层、导电层等。

这三者环环相扣，共同实现了从平面设计到三维微纳结构的精准制造。

下面我们逐一详解。

三、光刻：微纳制造的“印刷术”或“照相术”

什么是光刻？

光刻是一种利用光与掩模（Mask），将设计好的微细图形转移到光刻胶（Photoresist）上，进而定义出芯片上电路图案的工艺，类似于传统照相或印刷中的“曝光显影”。

可以把光刻理解为：在硅片表面涂上一层“感光胶”，然后用光照通过掩模，把想要的电路图案‘印’在这层胶上。

光刻的基本流程（简化版）：

1. 涂胶：在硅片表面旋涂一层光刻胶（感光材料）；

2. 前烘：加热使光刻胶固化，提高附着力；

3. 对准与曝光：通过光刻机，将掩模上的图案通过光线（如紫外光、深紫外光、极紫外光）投射到光刻胶上；

4. 显影：用化学药液洗去被曝光（或未曝光，取决于正胶/负胶）的光刻胶，留下图案；

5. 后烘：加固图案，为后续刻蚀或镀膜做准备。

光刻在芯片制造中的作用：

• 定义电路图案：所有晶体管、导线、绝缘层的“形状”都始于光刻；

• 决定分辨率与精度：光刻的精度直接决定了芯片上最小结构的尺寸，如晶体管的栅极宽度（即制程节点，如 7nm、5nm）；

• 是整个微纳加工的“龙头工艺”，后续的刻蚀与镀膜都依赖它定义的图形。

延伸知识：目前最先进的光刻技术是 极紫外光刻（EUV），其波长仅为 13.5 nm，可实现 7nm 乃至更小制程的图案转移。

四、刻蚀：微纳加工的“雕刻刀”

什么是刻蚀？

刻蚀是指在光刻定义出图形后，利用化学或物理方法有选择地去除未被光刻胶保护的薄膜材料，从而将图案从光刻胶“转移”到下方的材料层（如硅、二氧化硅、金属等）上的过程。

可以简单理解为：用“化学刀”或“物理刀”把不想要的部分去掉，只留下你需要的图形。

刻蚀的分类：

1. 湿法刻蚀（Wet Etching）：使用化学溶液（如酸、碱）进行腐蚀，特点是各向同性（四面八方都会腐蚀），适合粗加工；

2. 干法刻蚀（Dry Etching）：利用等离子体（如 CF₄、SF₆ 等气体）进行定向刻蚀，通常是各向异性（垂直方向为主），适合精细结构。

现代芯片制造中，以等离子体干法刻蚀（如 ICP、RIE）为主流。

刻蚀在芯片制造中的作用：

• 将光刻图案“实体化”：把光刻胶上的图形准确地转移到硅或其他材料层上；

• 实现高精度结构：例如晶体管的栅极、金属连线、绝缘层开孔等；

• 影响器件性能与尺寸极限：刻蚀的精度、选择比、均匀性直接决定晶体管性能与芯片制程。

五、镀膜：微纳器件的“材料基础”

什么是镀膜？

镀膜（薄膜沉积）是指在硅片表面通过物理或化学的方法，沉积一层或多层具有特定功能的薄膜材料，如绝缘层（如 SiO₂）、导电层（如多晶硅、金属）、保护层等。

可以理解为：在硅片表面“刷涂料”或“蒸镀金属”，为器件构建功能层。

常见的镀膜技术包括：

1. 物理气相沉积（PVD）：如磁控溅射、电子束蒸发，适合金属薄膜；

2. 化学气相沉积（CVD）：如LPCVD（低压化学气相沉积）、PECVD（等离子体增强化学气相沉积），适合氧化物、氮化物等绝缘或半导体薄膜；

3. 原子层沉积（ALD）：超高精度薄膜沉积，用于栅极氧化等关键层。

镀膜在芯片制造中的作用：

• 构建器件功能层：如晶体管的栅氧化层、金属互连层、绝缘隔离层等；

• 保护与钝化：防止芯片表面受潮、氧化或污染；

• 实现电学隔离或连接：通过不同薄膜的组合，形成导电通路或绝缘屏障；

• 调控光学、电学、机械性能：如光学滤光、介电常数调整、应力控制等。

六、三者的协作：如何制造一个晶体管？

举个例子，制造一个最基本的 MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）晶体管，就离不开这三者的配合：

1. 镀膜：先在硅片上沉积一层二氧化硅（绝缘层）和多晶硅（导电层，做栅极）；

2. 光刻：通过光刻定义出晶体管栅极的图形；

3. 刻蚀：将多余的多晶硅与氧化层刻掉，只保留栅极结构；

4. 再镀膜与刻蚀：形成源极、漏极、金属连线等结构，每一步都依赖这三者的精妙配合。

可以说，光刻定义图案，刻蚀实现结构，镀膜提供材料，三者缺一不可。

七、总结：它们为什么对芯片制造至关重要？

没有高精度的光刻，就无法实现更小的晶体管；
没有精准的刻蚀，图案就无法准确转移到材料中；
没有可靠的镀膜，器件就无法具备所需的电学与物理特性。

它们共同构成了芯片制造的核心技术支柱，也是推动摩尔定律不断前进的底层基石。

八、写在最后

微纳加工是一门融合了物理、化学、材料、机械与精密工程的交叉学科，而光刻、刻蚀与镀膜，则是这门学科中最基础也最关键的组成部分。

对于从事半导体、微电子、MEMS、光电子等行业的工程师而言，深入理解这些工艺，是开展研发与优化工作的起点；对于学习者与科技爱好者来说，了解这些“微缩世界中的制造奇迹”，也能让我们更加敬佩现代科技的精密与伟大。