從制造端來聊聊——芯片是如何誕生的

今天就從制造端來聊聊——芯片是如何誕生的。

01從沙子到單晶硅棒

從一把可以隨手揚(yáng)起的沙子，到各行各業(yè)不可或缺的芯片，需要經(jīng)歷成百上千道加工程序。其中第一步，就是先把沙子變成單晶硅。

沙子主要成分是二氧化硅，芯片所需的硅元素就蘊(yùn)含其中。

但要真正地制造芯片，對硅原料的純度要求就非常高了——平均100W個(gè)硅原子中最多只能有1個(gè)雜質(zhì)原子。

所以就需要對沙子進(jìn)行反復(fù)多次提純，然后在高溫下通過區(qū)熔或直拉工藝，在爐膛中整形或提拉，然后得到硅單晶體棒（單晶硅棒），純度要求達(dá)到99.9999%。

02從單晶硅棒到晶圓

得到單晶硅棒后，進(jìn)行橫向切割就能得到許多圓柱形的單晶硅片。這個(gè)硅片，就是我們常說的晶圓（Wafer）。

晶圓直徑越大，制造難度越大，能夠切割出來的芯片也越多。目前主流的晶圓直徑是12英寸（大概30cm）。

切片之后還需要經(jīng)過研磨、拋光、清洗工序，讓晶圓片的表面比鏡面還要潔凈平整，以便于后續(xù)刻制電路。

到這一步，我們只是為建造芯片打好了“地基”，離芯片本身還差得很遠(yuǎn)，接下來才是匯集最先進(jìn)技術(shù)的加工步驟。

03從晶圓到芯片

集成電路，顧名思義就是把設(shè)計(jì)好的電路以堆疊的形式集成在一起，就像建造城市一樣。

這也就是為什么業(yè)內(nèi)常說造芯片就像蓋房子。

如何把設(shè)計(jì)好的電路版圖實(shí)現(xiàn)在晶圓片上？這其中涉及的步驟就比較多了。

1.光刻

光刻是芯片制造中非常重要的一個(gè)工藝程序，也是決定了芯片集成度的核心工序。

在進(jìn)行光刻之前，需要在晶圓上涂抹液態(tài)光刻膠，這一步也叫勻膠。這樣做可以讓光刻膠變得薄且平。

光刻膠層透過掩模被曝光在紫外線之下，變得可溶，掩模上印著預(yù)先設(shè)計(jì)好得電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會(huì)形成每一層電路圖形。這個(gè)原理和老式膠片曝光類似。

也就是說，要通過勻膠、前烘、曝光、顯影、堅(jiān)膜等一系列步驟，把晶圓表面薄膜的特定部分去除，留下帶有微圖形結(jié)構(gòu)的薄膜。這樣一來，設(shè)計(jì)好的電路圖形就能從光刻板上轉(zhuǎn)移到晶圓表面的光刻膠上。

這就要求光刻設(shè)備要具備非常高的圖形分辨率和靈敏度，并且保證缺陷度低。

一般情況下，在半導(dǎo)體器件制造整個(gè)過程中會(huì)進(jìn)行很多次光刻流程，生產(chǎn)復(fù)雜一些的集成電路可能需要進(jìn)行多達(dá)50步光刻。

2.刻蝕

刻蝕和光刻的聯(lián)系非常緊密。

刻蝕就是通過化學(xué)反應(yīng)或物理作用，把晶圓上沒有被光刻膠覆蓋的部分去除掉，只留下一個(gè)一個(gè)的凹槽（也就是所需要的電路結(jié)構(gòu)）。

刻蝕技術(shù)主要分為干法刻蝕與濕法刻蝕。干法刻蝕主要利用反應(yīng)氣體與等離子體進(jìn)行刻蝕；濕法刻蝕主要利用化學(xué)試劑與被刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕。

3.摻雜

擴(kuò)散和離子注入都是主要的摻雜工藝。

這一步就是可控?cái)?shù)量的所需雜質(zhì)摻入到晶圓的特定區(qū)域里，改變半導(dǎo)體的電學(xué)性能，使導(dǎo)電的性能增大增強(qiáng)，最后形成N區(qū)或P區(qū)。

在刻蝕和離子注入完成后，光刻膠的使命就完成了，將光刻膠清除后就可以得到設(shè)計(jì)好的電路圖案。到此為止，晶體管基本就已完成。

接下來還會(huì)進(jìn)行磨平、形成電極、晶圓測試等步驟。之后，就要對晶圓進(jìn)行切割，形成一顆一顆的die。

04把芯片封裝起來

其實(shí)我們平時(shí)常見的芯片，都是通過封裝之后的得到的芯片產(chǎn)品。

封裝就是把芯片的焊區(qū)和封裝的外引腳互連，然后再使用絕緣材料外殼把芯片打包起來。

這樣做一方面可以防止芯片受損，起到保護(hù)芯片性能、便于運(yùn)輸?shù)淖饔?，另一方面也可以通過互連，把芯片組件/電路模塊連接起來。

接下來就是芯片測試環(huán)節(jié)，通常包括老化測試、成品檢測和可靠性測試，通過測試會(huì)將不良品剔除掉，留下沒有缺陷的芯片產(chǎn)品。

至此，我們?nèi)粘Ｋ匦璧男酒驼Q生了。

審核編輯 ：李倩