半導(dǎo)體行業(yè)工藝知識

寫在前面

本文將聚焦于半導(dǎo)體工藝這一關(guān)鍵領(lǐng)域。半導(dǎo)體工藝是半導(dǎo)體行業(yè)中的核心技術(shù)，它涵蓋了從原材料處理到最終產(chǎn)品制造的整個流程。

半導(dǎo)體制造流程包含幾個核心環(huán)節(jié)。首先，起始于晶圓準備，選用硅晶片作為制造半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)材料。此階段涉及晶圓的清洗與拋光，以準備一個光滑無瑕的襯底用于后續(xù)電子元件的制造。

接下來是圖案形成步驟，通過光刻技術(shù)在硅晶片上創(chuàng)建精細的圖案。具體操作是，在晶片表面涂覆一層光刻膠，再將帶有預(yù)定電子元件圖案的掩模覆蓋其上。利用紫外線照射，將掩模上的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠層，隨后去除曝光部分的光刻膠，從而在晶片上形成所需的圖案輪廓。

之后是摻雜過程，向硅晶片中引入特定材料（如硼或磷），以調(diào)整其電學(xué)性能。這些材料通過離子注入技術(shù)，以高速離子形式被精確注入到晶片表面，形成p型或n型半導(dǎo)體。

緊接著是沉積步驟，在晶片上沉積薄膜材料，用于構(gòu)建電子元件。這包括化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積及原子層沉積等多種技術(shù)，用于沉積金屬、氧化物、氮化物等材料。

隨后是刻蝕環(huán)節(jié)，通過濕式、干式或等離子刻蝕技術(shù)，從晶片表面去除多余材料，塑造出電子元件所需的精確形狀和結(jié)構(gòu)。

最后，進行封裝，將制造好的電子元件組裝成可用于電子設(shè)備的成品，包括連接到電路板并與其他元件建立電氣連接。

半導(dǎo)體制造工藝極為復(fù)雜，依賴多種專業(yè)設(shè)備和材料，是現(xiàn)代電子設(shè)備不可或缺的基石。整個制造周期可能長達數(shù)周至數(shù)月，涉及數(shù)百道精細工序，從晶圓制備到最終封裝，每一步都至關(guān)重要。

半導(dǎo)體集成電路是高度集成的電子部件，通過在晶圓上批量制造多個相同電路實現(xiàn)。晶圓，作為半導(dǎo)體制造的基礎(chǔ)，通常由硅或砷化鎵等單晶材料切片而成，其中硅晶圓大多源自沙子，具有資源豐富、環(huán)境友好等優(yōu)勢。

1

晶圓的制造

晶圓制造是一個復(fù)雜而精細的過程，其核心在于將自然界中的沙子（二氧化硅硅石）轉(zhuǎn)化為高純度的硅片，進而構(gòu)建出半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。這個過程始于將沙子冶煉成工業(yè)硅（金屬硅），隨后經(jīng)過提純得到多晶硅，再通過直拉工藝提煉出更高純度的單晶硅棒。這些單晶硅棒經(jīng)過精細的打磨、切割、倒角和拋光處理，最終轉(zhuǎn)化為用于半導(dǎo)體制造的硅片。

在得到硅片后，制造過程進入了一個循環(huán)往復(fù)的階段，包括沉積、光刻、刻蝕和離子注入等關(guān)鍵步驟。首先，硅片需要進行無塵清潔，以確保其表面干凈無雜質(zhì)。隨后，將硅片放入機器中進行沉積氧化加膜，以增強其穩(wěn)定性和性能。接著，在硅片表面均勻涂上光刻膠，并利用光刻機將紫外光線透過光掩模照射到光刻膠上進行曝光，從而將電路圖案精確地轉(zhuǎn)移到光刻膠上。

完成曝光后，硅片被送入刻蝕機進行刻蝕。在這個過程中，利用等離子體物理沖擊和離子注入技術(shù)，將未被光刻膠覆蓋的氧化膜和下方的硅片刻蝕掉，形成鰭式場效應(yīng)晶體管中的鰭狀結(jié)構(gòu)?？涛g完成后，再次進行清洗，以去除光刻膠和雜質(zhì)。

接下來是離子注入步驟，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(dǎo)電類型，從而形成PN結(jié)。為了保護硅片并增強其性能，再次進行氣相沉積加覆保護膜。最后，通過CMP化學(xué)研磨技術(shù)將硅片打磨平整并拋光，為后續(xù)的薄膜沉積創(chuàng)造有利條件。

這個循環(huán)往復(fù)的過程需要重復(fù)數(shù)十次甚至數(shù)百次，才能在一塊12寸的晶圓上制作出約700塊芯片。每一次循環(huán)都涉及到精密的工藝控制和嚴格的質(zhì)量檢測，以確保最終產(chǎn)品的性能和可靠性。因此，晶圓制造是一個高度技術(shù)密集型和資本密集型的行業(yè)，對于現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。

1

硅錠制造

為了將沙子中提取的硅轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體材料，首先需要進行提純處理。硅原料在高溫下被熔化成高純度的硅溶液，然后經(jīng)過結(jié)晶凝固，形成一根被稱為錠的硅柱。這種用于半導(dǎo)體的錠是通過納米級微細工藝制造的，具有超高的純度。

2

晶圓切割

接下來，需要將這個圓陀螺形狀的硅錠切割成薄片狀的晶圓。這個過程中，我們會使用金剛石鋸將其切成均勻厚度的薄片。晶圓的尺寸由其直徑?jīng)Q定，常見的尺寸有150毫米（6英寸）、200毫米（8英寸）和300毫米（12英寸）等。晶圓越薄，制造成本就越低；而直徑越大，一次能生產(chǎn)的半導(dǎo)體芯片數(shù)量就越多。因此，晶圓的厚度和大小都在逐漸變薄和擴大。

3

晶圓拋光

切割后的晶圓表面可能存在瑕疵和粗糙，這會影響電路的精密度。因此，我們需要對晶圓進行拋光處理，使其表面像鏡子一樣光滑。這個過程中，我們會使用拋光液和拋光設(shè)備對晶圓表面進行研磨。加工前的晶圓被稱為裸晶圓，因為它還沒有經(jīng)過任何處理。經(jīng)過物理和化學(xué)多個階段的加工后，我們可以在晶圓表面形成集成電路（IC）。加工完成后，晶圓就會呈現(xiàn)出特定的形狀。

晶圓（Wafer）

晶圓是半導(dǎo)體集成電路制造中的核心組件，呈現(xiàn)為一種圓形的平板形態(tài)。

晶粒（Die）

在圓形的晶圓上，分布著許多四邊形區(qū)域，這些區(qū)域都是集成了電子電路的IC芯片，被稱為晶粒。

分割槽（Scribe Line）

盡管晶粒在晶圓上看起來像是緊密相連，但它們之間其實留有一定的間隔，這個間隔被稱為分割槽。設(shè)置分割槽的目的是為了在晶圓加工完成后，能夠方便地將各個晶粒切割開來，組裝成獨立的芯片。同時，分割槽也為使用金剛石鋸進行切割提供了必要的空間。

定位區(qū)（Flat Zone）

1為了區(qū)分晶圓的結(jié)構(gòu)，人們特意在晶圓上設(shè)置了定位區(qū)，這個區(qū)域成為了晶圓加工過程中的標準參照線。由于晶圓的晶體結(jié)構(gòu)非常精細，肉眼難以分辨，因此人們以定位區(qū)作為基準，來判斷晶圓的垂直和水平方向。

凹槽（Notch）

如今，一些晶圓被設(shè)計成了帶有凹槽的形狀。與帶有定位區(qū)的晶圓相比，帶有凹槽的晶圓能夠制造更多的晶粒，從而提高了生產(chǎn)效率。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)涵蓋了晶圓生產(chǎn)、晶圓加工以及晶圓組裝等多個環(huán)節(jié)。其中，晶圓產(chǎn)業(yè)負責(zé)生產(chǎn)晶圓；晶圓加工產(chǎn)業(yè)則利用晶圓作為材料，設(shè)計和制造各種集成電路；而晶圓組裝產(chǎn)業(yè)則負責(zé)將加工過的晶圓切割成晶粒，并進行封裝，以防止其受潮或受壓。