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                产品知识

                半导体芯片制造工艺流程

                2024.02.22

                1.从砂子到硅片

                所谓“半导体”,是一种导电性能介于“导体”和“绝缘体”之间的★物质总称。导体能导电,比如铁铜银等金属,绝缘体不导电,比如橡胶。芯片的制作为什么要用半导体?因为半导体↘的导电与所加电场方向有关,即它的导电是可以有方向性的。比如,给半导体两端加上正电压,它可能就导电;反之,将它两端所加的电压极性反过㊣来,就不导电。而这♀种性能,可以做成“电子开关”。我们都听说过“计算机做的都是二进制的0-1运算”,这种运算体现在物理层面就是指“高低电位的←变化”,高电位代表1,低电位代表0。高低电位在复杂的电⊙路设计下面可以实现复杂的转化,这样表现出来就好像是╱计算机在做01运算。半导体的这种电学特性可以设计成电子开关,可以很好实现高低电位的转化。

                砂子到硅片需要经过熔炼、切片、研磨、蚀刻、抛光等过程,最终形成一片片的晶圆。在下面的工艺流程中,大致可以分为前端工艺、后端工艺和测封。

                制造第一阶段:提炼硅锭

                沙子:硅是地壳内第二丰富的元素,而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%的硅元素,以二氧化硅(SiO2)的形式存在,这也是半导体制↘造产业的基础。
                             
                硅熔炼:12英寸/300毫米晶圆级,下同。通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅,学名电子级硅(EGS),平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的,最后●得到的就是硅锭(Ingot)。

                单晶硅锭:整体基本呈圆柱形,重约100千克,硅纯度99.9999%。
                制造第二阶段:硅锭切割

                硅锭切割:横向切割成圆形的单个硅片,也就是我们常说的晶圆(Wafer)。


                晶圆:切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕,表面甚至可以当镜子。
                制造第三阶段:光刻

                光刻胶(Photo Resist):图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体,类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。

                光刻:光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下,变得可溶,期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案,紫外线透过它照在光刻胶层上,就会形成微处理器的每一层电路图案。一般来说,在晶圆上得到的电路图案是掩模上图案的四分之一。
                光刻:由此进入50-200纳米尺寸的晶体管级别。一块晶圆上可Ψ 以切割出数百个处理器,不过从这里开始把视野缩小到其中一个上,展示如何制作晶体管等部件。晶体管相当于开关,控制着电流的方向。现⊙在的晶体管已经如此之小,一个针头上就能放下大约3000万个。
                制造第四阶段:光刻胶的使命

                溶解光刻胶:光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉,清除后留下的图案和掩模上的一致。

                蚀刻:使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分,而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。
                清除光刻胶:蚀刻完成后,光刻胶的使命宣告完成,全部清除后就可以看到设计好的电路图案。
                制造第五阶段:离子注入

                光刻胶:再次浇上光刻胶(蓝色部分),然后光刻,并洗掉曝光的部分,剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。

                离子注入(Ion Implantation):在真空系统中,用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料,从而在被注入的区域形成特殊的注入层,并改变这些区域的硅的导电性。经过电场◣加速后,注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时。
                清除光刻胶:离子注入完成后,光刻胶也ω被清除,而注入区域(绿色部分)也已掺杂,注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。
                制造第六阶段:电镀晶圆

                晶体管□ 就绪:至此,晶体管已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞,并填充铜,以便和其它晶体管互连。

                电镀:在晶圆上电镀一层硫酸铜,将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。

                铜层:电镀完成后,铜离子沉积在晶圆表】面,形成一个薄薄的铜层。

                抛光:将多余的铜抛光掉,也就是磨光晶圆表面。
                金属层:晶体管级别,六个晶体管的组合,大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层,具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能◣性。芯片表面看起来异常平滑,但事实上可能包含20多层复杂的电路,放大之后可以看到极其复杂的电路网络,形如未来派的多层高速公路系统。
                制造第七阶段:晶圆测试
                             
                晶圆测试:内核级别,大约10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部,正①在接受第一次功能性测试,使用∮参考电路图案和每一块芯片进行对比。
                晶圆切片(Slicing):晶圆级别,300毫米/12英寸。将晶圆切割成块,每一块就是一个芯片的内核(Die)。
                制造第八阶段:晶圆检测
                丢弃瑕疵内核:晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃,留下完好的。
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