揭秘半導(dǎo)體制造全流程（上篇）

當(dāng)聽(tīng)到“半導(dǎo)體”這個(gè)詞時(shí)，你會(huì)想到什么？它聽(tīng)起來(lái)復(fù)雜且遙遠(yuǎn)，但其實(shí)已經(jīng)滲透到我們生活的各個(gè)方面：從智能手機(jī)、筆記本電腦、信用卡到地鐵，我們?nèi)粘Ｉ钏蕾嚨母鞣N物品都用到了半導(dǎo)體。

每個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)品的制造都需要數(shù)百個(gè)工藝，泛林集團(tuán)將整個(gè)制造過(guò)程分為八個(gè)步驟：晶圓加工-氧化-光刻-刻蝕-薄膜沉積-互連-測(cè)試-封裝。

為幫助大家了解和認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體及相關(guān)工藝，我們將以三期微信推送，為大家逐一介紹上述每個(gè)步驟。

第一步 晶圓加工

所有半導(dǎo)體工藝都始于一粒沙子！因?yàn)樯匙铀墓枋巧a(chǎn)晶圓所需要的原材料。晶圓是將硅(Si)或砷化鎵(GaAs)制成的單晶柱體切割形成的圓薄片。要提取高純度的硅材料需要用到硅砂，一種二氧化硅含量高達(dá)95%的特殊材料，也是制作晶圓的主要原材料。晶圓加工就是制作獲取上述晶圓的過(guò)程。

① 鑄錠

首先需將沙子加熱，分離其中的一氧化碳和硅，并不斷重復(fù)該過(guò)程直至獲得超高純度的電子級(jí)硅(EG-Si)。高純硅熔化成液體，進(jìn)而再凝固成單晶固體形式，稱為“錠”，這就是半導(dǎo)體制造的第一步。硅錠（硅柱）的制作精度要求很高，達(dá)到納米級(jí)，其廣泛應(yīng)用的制造方法是提拉法。

② 錠切割

前一個(gè)步驟完成后，需要用金剛石鋸切掉鑄錠的兩端，再將其切割成一定厚度的薄片。錠薄片直徑?jīng)Q定了晶圓的尺寸，更大更薄的晶圓能被分割成更多的可用單元，有助于降低生產(chǎn)成本。切割硅錠后需在薄片上加入“平坦區(qū)”或“凹痕”標(biāo)記，方便在后續(xù)步驟中以其為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置加工方向。

③ 晶圓表面拋光

通過(guò)上述切割過(guò)程獲得的薄片被稱為“裸片”，即未經(jīng)加工的“原料晶圓”。裸片的表面凹凸不平，無(wú)法直接在上面印制電路圖形。因此，需要先通過(guò)研磨和化學(xué)刻蝕工藝去除表面瑕疵，然后通過(guò)拋光形成光潔的表面，再通過(guò)清洗去除殘留污染物，即可獲得表面整潔的成品晶圓。

第二步 氧化

氧化過(guò)程的作用是在晶圓表面形成保護(hù)膜。它可以保護(hù)晶圓不受化學(xué)雜質(zhì)影響、避免漏電流進(jìn)入電路、預(yù)防離子植入過(guò)程中的擴(kuò)散以及防止晶圓在刻蝕時(shí)滑脫。

氧化過(guò)程的第一步是去除雜質(zhì)和污染物，需要通過(guò)四步去除有機(jī)物、金屬等雜質(zhì)及蒸發(fā)殘留的水分。清潔完成后就可以將晶圓置于800至1200攝氏度的高溫環(huán)境下，通過(guò)氧氣或蒸氣在晶圓表面的流動(dòng)形成二氧化硅（即“氧化物”）層。氧氣擴(kuò)散通過(guò)氧化層與硅反應(yīng)形成不同厚度的氧化層，可以在氧化完成后測(cè)量它的厚度。

干法氧化和濕法氧化

根據(jù)氧化反應(yīng)中氧化劑的不同，熱氧化過(guò)程可分為干法氧化和濕法氧化，前者使用純氧產(chǎn)生二氧化硅層，速度慢但氧化層薄而致密，后者需同時(shí)使用氧氣和高溶解度的水蒸氣，其特點(diǎn)是生長(zhǎng)速度快但保護(hù)層相對(duì)較厚且密度較低。

除氧化劑以外，還有其他變量會(huì)影響到二氧化硅層的厚度。首先，晶圓結(jié)構(gòu)及其表面缺陷和內(nèi)部摻雜濃度都會(huì)影響氧化層的生成速率。此外，氧化設(shè)備產(chǎn)生的壓力和溫度越高，氧化層的生成就越快。在氧化過(guò)程，還需要根據(jù)單元中晶圓的位置而使用假片，以保護(hù)晶圓并減小氧化度的差異。

第三步 光刻

光刻是通過(guò)光線將電路圖案“印刷”到晶圓上，我們可以將其理解為在晶圓表面繪制半導(dǎo)體制造所需的平面圖。電路圖案的精細(xì)度越高，成品芯片的集成度就越高，必須通過(guò)先進(jìn)的光刻技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。具體來(lái)說(shuō)，光刻可分為涂覆光刻膠、曝光和顯影三個(gè)步驟。

① 涂覆光刻膠

在晶圓上繪制電路的第一步是在氧化層上涂覆光刻膠。光刻膠通過(guò)改變化學(xué)性質(zhì)的方式讓晶圓成為“相紙”。晶圓表面的光刻膠層越薄，涂覆越均勻，可以印刷的圖形就越精細(xì)。這個(gè)步驟可以采用“旋涂”方法。

根據(jù)光（紫外線）反應(yīng)性的區(qū)別，光刻膠可分為兩種：正膠和負(fù)膠，前者在受光后會(huì)分解并消失，從而留下未受光區(qū)域的圖形，而后者在受光后會(huì)聚合并讓受光部分的圖形顯現(xiàn)出來(lái)。

② 曝光

在晶圓上覆蓋光刻膠薄膜后，就可以通過(guò)控制光線照射來(lái)完成電路印刷，這個(gè)過(guò)程被稱為“曝光”。我們可以通過(guò)曝光設(shè)備來(lái)選擇性地通過(guò)光線，當(dāng)光線穿過(guò)包含電路圖案的掩膜時(shí)，就能將電路印制到下方涂有光刻膠薄膜的晶圓上。

在曝光過(guò)程中，印刷圖案越精細(xì)，最終的芯片就能夠容納更多元件，這有助于提高生產(chǎn)效率并降低單個(gè)元件的成本。在這個(gè)領(lǐng)域，目前備受矚目的新技術(shù)是EUV光刻。去年2月，泛林集團(tuán)與戰(zhàn)略合作伙伴ASML和imec共同研發(fā)出了一種全新的干膜光刻膠技術(shù)。該技術(shù)能通過(guò)提高分辨率（微調(diào)電路寬度的關(guān)鍵要素）大幅提升EUV光刻曝光工藝的生產(chǎn)率和良率。

③ 顯影

曝光之后的步驟是在晶圓上噴涂顯影劑，目的是去除圖形未覆蓋區(qū)域的光刻膠，從而讓印刷好的電路圖案顯現(xiàn)出來(lái)。顯影完成后需要通過(guò)各種測(cè)量設(shè)備和光學(xué)顯微鏡進(jìn)行檢查，確保電路圖繪制的質(zhì)量。

以上是對(duì)晶圓加工、氧化和光刻工藝的簡(jiǎn)要介紹，下一期，我們將為大家介紹半導(dǎo)體制造中兩大重要步驟——刻蝕和薄膜沉積，敬請(qǐng)期待！