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简述晶圆制造流程工艺
晶圆是指拥有集成电路的硅晶片,形状是圆的,故称为晶圆。晶圆在电子数码领域的运用是非常广泛的,例如内存条、SSDCPU、显卡、手机内存、手机指纹芯片等等。可以说几乎对于所有的电子数码产品,晶圆都是不可或缺的。所以近年来全球晶圆的紧缺不仅仅是只导致了内存条和SSD的涨价,甚至整个电子数码产品领域都受到了非常严重的波及。晶圆的重要性不言而喻。


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如此紧要的晶圆,我们大多数却对它必将陌生。先来说说晶圆的主要原料。

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晶圆需要什么,需要硅!硅是地球上第二丰富的元素。而沙子、石头里都含有硅;满地都是硅,那为什么晶圆还缺呢?当然,这仅仅能说沙子可以造晶圆、造CPU、芯片。如果真用沙子来做晶圆,提炼过程是及其复杂繁琐。硅矿石的硅含量相对较高,因而晶圆一般的是以硅矿石为原料的。

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下面一起来看看晶圆制造的简介工艺。

一、脱氧提纯

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沙子/石英: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Si02二氧化硅。氧化硅经由电弧炉提炼,盐酸氯化,并蒸馏后,得到纯度高达99%以上的晶体硅。,以二氧化硅的形式存在,这也是半导体制造产业的基础。硅的纯化主要有两种方法。

硅的纯化I——通过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯硅烷。

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硅的纯化II——利用西门子方法,通过三氯硅烷和氢气反应来生产电子级硅。

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二、制造晶棒

晶体硅经过高温成型,采用旋转拉伸的方法做成圆形的晶棒。一般选用直拉法成型。

直拉法即CZ法(切克劳斯基Czchralski):把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成N型或P型的固体单晶硅锭。

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直拉法生产过程 图源自网络

三、晶片切割

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晶片切割:将晶棒横向切割成圆形的单个硅片,也就是我们常说的晶圆(Wafer),这也是晶圆都是圆形的原因。

四、晶圆抛光


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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。

五、晶圆镀膜


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通过thermal方式,使晶圆上产生一层Si外延层。

六、涂覆光刻胶


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光刻胶(PhotoResiet):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且平。
 
七、光刻

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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,掩模版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。
 
随着极紫外(EUV)光刻新技术出现,晶圆的光刻变得更精确,也更有效率了,甚至可以一次完成全部光刻了。

八、溶解和蚀刻
 
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(MASK)的一致。

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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。

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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。

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再次浇上光刻胶:

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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。

九、离子注入


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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。离子注入完成后,光刻胶也被清除,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。


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十、晶体管完成

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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。

十一、电镀

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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)。电镀完成后,铜离子沉积在晶圆表面,形成一个薄薄的铜层。

 十二、抛光
 

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机械研磨、化学作用使表面平坦,移除晶圆表面的缺陷
 
十三、测试

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主要分三类:功能测试、性能测试、抗老化测试。具体有如:接触测试、功耗测试、输入漏电测试、输出电平测试、动态参数测试、模拟信号参数测试等等。

十四、包装入盒

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硅片装在片架上,放入充满氮气的密封小盒内以免在运输过程中被氧化或沾污

十五、发往封测

将包装好的硅片发往封测,就成了我们电子数码产品上的芯片。

晶圆的制造在半导体领域,科技含量相当的高,技术工艺要求非常高。而我国半导体事业起步较晚,在晶圆的制造上还处于建设发展阶段。现在我国主要做的是晶圆的封测。我国的晶圆封测规模和市场都是全球首屈一指的,约占全球约1/4。虽然近年我国大力支持半导体行业,支持晶圆制造,也取得了一些成绩。但是任重道远。目前晶圆制造,核心技术,依然牢牢的把握在外国晶圆厂家的手里。我国对外国晶圆的依赖性还非常之大。


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