半導體工藝

制造半導體的過程可以分為以下幾個關鍵步驟。

1.晶圓制備

選擇硅晶片作為半導體工藝的起始材料。清洗、拋光晶圓，并準備用作制造電子元件的襯底。

2.圖案化

在這一過程中，使用稱為光刻的工藝在硅晶片上創(chuàng)建圖案。將一層抗腐蝕的光刻膠施加到晶片表面，然后將掩模放置在晶片頂部。掩模上具有對應的相關預制造的電子元件的圖案。然后使用紫外光將圖案從掩模轉移到光刻膠層上。曝光的光刻膠區(qū)域隨后被去除，最終在晶片上留下圖案化的表面。

3.材質摻雜

在這個步驟中，材質被添加到硅晶片中以改變其電特性。最常用的材質是硼或磷，少量加入可以分別產生p型或n型的半導體。這些材質是通過一種稱為離子注入的工藝，利用離子加速，將被加速的離子注入到晶片的表面。

4.晶片沉積處理

在這個制作過程中，薄膜材料被沉積在晶片上以生成電子元件。這可以通過多種技術來實現，包括化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)和原子層沉積(ALD)。這些工藝可用于沉積金屬、氧化物和氮化物等材料。

5.刻蝕

從晶片表面去除部分材質，以產生電子元件所需的形狀和結構?？梢允褂枚喾N技術來進行刻蝕，包括濕式刻蝕、干式刻蝕和等離子刻蝕 。這些工藝使用化學物質或等離子體從晶片上選擇性地去除特定的材質。

6.封裝

電子元件被封裝成可用于電子設備的最終產品。這包括將元件連接到諸如印刷電路板的基板上，然后使用導線或其他方式將它們連接到其他元件上。半導體工藝非常復雜，涉及各種專用設備和材料。這些工藝對于現代電子設備的制造是必不可少的，并且隨著新技術的迭代而不斷發(fā)展。

通常，生產半導體芯片的過程需要幾周到幾個月的時間。從第一階段開始，需要制造一個硅片，作為芯片的襯底。此工藝通常包括如下過程，清洗、沉積、光刻、蝕刻和摻質。晶片可能需要經受數百個不同的工藝加工，所以，整個晶片制造過程可能要花費長達16~18周的時間。

半導體集成電路是將很多元件集成到一個芯片內,以處理和儲存各種功能的電子部件。由于半導體集成電路是通過在晶圓的薄基板上制造多個相同電路而產生的,因此晶圓是半導體的基礎,就像制作披薩時添加配料之前先做面團一樣。晶圓是指將硅(Si)、砷化鎵(GaAs)等生成的單晶柱切成薄片的圓盤。大部分晶圓都是由沙子中提取的硅制成的。地球上有大量的硅,可以穩(wěn)定供應,并且硅具有無毒、環(huán)保的特點。

晶圓制造，簡單說就是將沙子即二氧化硅硅石冶煉為工業(yè)硅(金屬硅)，再提純?yōu)槎嗑Ч?，再直拉出更高純度的單晶硅棒，再經過打磨切割倒角拋光一系列操作，就得到了硅片。通過沉積、光刻、刻蝕、離子注入的循環(huán)往復。拿到硅片，首先進行無塵清潔，清理干凈后放入機器中進行沉積氧化加膜，再均勻涂上光刻膠，放入光刻機利用紫外光線透過光掩模照射到光刻膠上進行曝光，把電路圖刻下來，再送去刻蝕機刻蝕，利用等離子體物理沖擊離子注入，將未被光刻膠覆蓋的氧化膜和下方的硅片刻蝕掉，形成所謂的鰭式場效應晶體管中的鰭，刻蝕完后送去清洗把覆蓋的光刻膠和雜質清洗干凈后，送去離子注入機，利用高速度高能量的離子束流注入硅片改變其載流子濃度和導電類型，形成PN結，再用氣相沉積加覆保護膜，最后再經過一種叫做CMP化學研磨技術，將其打磨平整拋光，讓后續(xù)薄膜沉積更加順利，重復上述工藝數十次后，才能將晶體管和上方的電路刻在晶片上面，來來回回幾百次，才能在一塊12寸的晶圓上制作出約700塊芯片。

第一階段  制造錠(Ingot)

為了將從沙子中提取的硅作為半導體材料使 用,首先需要經過提高純度的提純工序。將硅 原料高溫溶解,制造高純度的硅溶液,并使其 結晶凝固。這樣形成的硅柱叫做錠(Ingot)。用于半導體中的錠采用了數納米(nm)微細 工藝,是超高純度的硅錠。

第二階段  綻切割成薄晶圓(Wafer Slicing)

為了將圓陀螺模樣的鏡制成圓盤狀的晶圓,需 要使用金剛石鋸將其切成均勻厚度的薄片。的直徑決定了晶圓的尺寸。晶圓的尺寸有 150mm(6英寸)、200mm(8 英寸)、300mm (12 英寸)等等。晶圓越薄,制造成本越低, 直徑越大,一次可生產的半導體芯片數量就越多,因此圓的厚度和大小呈逐漸變薄和擴大的趨勢。

第三階段  晶圓表面拋光 (Lapping&Polishing)

切割后的晶圓需要進行加工,以使其像鏡子一 樣光滑。這是因為剛切割后的晶圓表面有瑕疵 且粗糙,可能會影響電路的精密度,因此需要使用拋光液和拋光設備將晶圓表面研磨光滑。加工前的晶圓就像處于沒有穿衣服的狀態(tài)一 樣,所以叫做裸晶圓(Bare wafer)。經過物理、 化學多個階段的加工后,可以在表面形成 IC。經過加工階段后,會成為如下形狀。

1.晶圓(Wafer): 晶圓圓是半導體集成電路的核心材料,是一種圓形的板。

2.晶粒(Die):很多四邊形都聚集在圓形晶圓上。這些四邊形都是集成電子電路的IC芯片。

3.分割線(Scribe Line): 看上去各個晶粒像是 粘在一起,但實際上晶粒和晶粒之間具有一定的間隙。該間距稱為分割線。在晶粒和晶粒之間設 置分割線的是為了在晶圓加工完成后將這些晶粒一個個割斷,然后組裝成芯片,也是為了留出用金剛石鋸切割的空間。

4.平坦區(qū)(Flat Zone):平坦區(qū)是為區(qū)分晶圓結 構而創(chuàng)建的區(qū)域,是晶圓加工的標準線。由于晶圓的晶體結構非常精細并且無法用肉眼判斷,因 此以這個平坦區(qū)為標準來判斷晶圓的垂直和水平。

5. 凹槽(Notch): 如今也出現了具有凹槽的晶圓。和平坦區(qū)晶圓相比,凹槽晶圓可以制造更多的晶粒,因此效率很高。半導體產業(yè)包括生產晶圓的晶圓產業(yè)以及以晶圓為材料設計和制造的晶圓加工產業(yè)——制造行業(yè) (Fabrication, FAB)。另外,還有組裝產業(yè),它將 加工過的晶圓切割成晶粒,并包裝好以防止受潮或受壓。

文章來源：半導體行業(yè)前沿