半导体工艺

制造半导体的过程可以分为以下几个关键步骤。

1.晶圆制备

选择硅晶片作为半导体工艺的起始材料。清洗、抛光晶圆，并准备用作制造电子元件的衬底。

2.图案化

在这一过程中，使用称为光刻的工艺在硅晶片上创建图案。将一层抗腐蚀的光刻胶施加到晶片表面，然后将掩模放置在晶片顶部。掩模上具有对应的相关预制造的电子元件的图案。然后使用紫外光将图案从掩模转移到光刻胶层上。曝光的光刻胶区域随后被去除，最终在晶片上留下图案化的表面。

3.材质掺杂

在这个步骤中，材质被添加到硅晶片中以改变其电特性。最常用的材质是硼或磷，少量加入可以分别产生p型或n型的半导体。这些材质是通过一种称为离子注入的工艺，利用离子加速，将被加速的离子注入到晶片的表面。

4.晶片沉积处理

在这个制作过程中，薄膜材料被沉积在晶片上以生成电子元件。这可以通过多种技术来实现，包括化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)和原子层沉积(ALD)。这些工艺可用于沉积金属、氧化物和氮化物等材料。

5.刻蚀

从晶片表面去除部分材质，以产生电子元件所需的形状和结构。可以使用多种技术来进行刻蚀，包括湿式刻蚀、干式刻蚀和等离子刻蚀 。这些工艺使用化学物质或等离子体从晶片上选择性地去除特定的材质。

6.封装

电子元件被封装成可用于电子设备的最终产品。这包括将元件连接到诸如印刷电路板的基板上，然后使用导线或其他方式将它们连接到其他元件上。半导体工艺非常复杂，涉及各种专用设备和材料。这些工艺对于现代电子设备的制造是必不可少的，并且随着新技术的迭代而不断发展。

通常，生产半导体芯片的过程需要几周到几个月的时间。从第一阶段开始，需要制造一个硅片，作为芯片的衬底。此工艺通常包括如下过程，清洗、沉积、光刻、蚀刻和掺质。晶片可能需要经受数百个不同的工艺加工，所以，整个晶片制造过程可能要花费长达16~18周的时间。

半导体集成电路是将很多元件集成到一个芯片内,以处理和储存各种功能的电子部件。由于半导体集成电路是通过在晶圆的薄基板上制造多个相同电路而产生的,因此晶圆是半导体的基础,就像制作披萨时添加配料之前先做面团一样。晶圆是指将硅(Si)、砷化镓(GaAs)等生成的单晶柱切成薄片的圆盘。大部分晶圆都是由沙子中提取的硅制成的。地球上有大量的硅,可以稳定供应,并且硅具有无毒、环保的特点。

晶圆制造，简单说就是将沙子即二氧化硅硅石冶炼为工业硅(金属硅)，再提纯为多晶硅，再直拉出更高纯度的单晶硅棒，再经过打磨切割倒角抛光一系列操作，就得到了硅片。通过沉积、光刻、刻蚀、离子注入的循环往复。拿到硅片，首先进行无尘清洁，清理干净后放入机器中进行沉积氧化加膜，再均匀涂上光刻胶，放入光刻机利用紫外光线透过光掩模照射到光刻胶上进行曝光，把电路图刻下来，再送去刻蚀机刻蚀，利用等离子体物理冲击离子注入，将未被光刻胶覆盖的氧化膜和下方的硅片刻蚀掉，形成所谓的鳍式场效应晶体管中的鳍，刻蚀完后送去清洗把覆盖的光刻胶和杂质清洗干净后，送去离子注入机，利用高速度高能量的离子束流注入硅片改变其载流子浓度和导电类型，形成PN结，再用气相沉积加覆保护膜，最后再经过一种叫做CMP化学研磨技术，将其打磨平整抛光，让后续薄膜沉积更加顺利，重复上述工艺数十次后，才能将晶体管和上方的电路刻在晶片上面，来来回回几百次，才能在一块12寸的晶圆上制作出约700块芯片。

第一阶段  制造锭(Ingot)

为了将从沙子中提取的硅作为半导体材料使 用,首先需要经过提高纯度的提纯工序。将硅 原料高温溶解,制造高纯度的硅溶液,并使其 结晶凝固。这样形成的硅柱叫做锭(Ingot)。用于半导体中的锭采用了数纳米(nm)微细 工艺,是超高纯度的硅锭。

第二阶段  绽切割成薄晶圆(Wafer Slicing)

为了将圆陀螺模样的镜制成圆盘状的晶圆,需 要使用金刚石锯将其切成均匀厚度的薄片。的直径决定了晶圆的尺寸。晶圆的尺寸有 150mm(6英寸)、200mm(8 英寸)、300mm (12 英寸)等等。晶圆越薄,制造成本越低, 直径越大,一次可生产的半导体芯片数量就越多,因此圆的厚度和大小呈逐渐变薄和扩大的趋势。

第三阶段  晶圆表面抛光 (Lapping&Polishing)

切割后的晶圆需要进行加工,以使其像镜子一 样光滑。这是因为刚切割后的晶圆表面有瑕疵 且粗糙,可能会影响电路的精密度,因此需要使用抛光液和抛光设备将晶圆表面研磨光滑。加工前的晶圆就像处于没有穿衣服的状态一 样,所以叫做裸晶圆(Bare wafer)。经过物理、 化学多个阶段的加工后,可以在表面形成 IC。经过加工阶段后,会成为如下形状。

1.晶圆(Wafer): 晶圆圆是半导体集成电路的核心材料,是一种圆形的板。

2.晶粒(Die):很多四边形都聚集在圆形晶圆上。这些四边形都是集成电子电路的IC芯片。

3.分割线(Scribe Line): 看上去各个晶粒像是 粘在一起,但实际上晶粒和晶粒之间具有一定的间隙。该间距称为分割线。在晶粒和晶粒之间设 置分割线的是为了在晶圆加工完成后将这些晶粒一个个割断,然后组装成芯片,也是为了留出用金刚石锯切割的空间。

4.平坦区(Flat Zone):平坦区是为区分晶圆结 构而创建的区域,是晶圆加工的标准线。由于晶圆的晶体结构非常精细并且无法用肉眼判断,因 此以这个平坦区为标准来判断晶圆的垂直和水平。

5. 凹槽(Notch): 如今也出现了具有凹槽的晶圆。和平坦区晶圆相比,凹槽晶圆可以制造更多的晶粒,因此效率很高。半导体产业包括生产晶圆的晶圆产业以及以晶圆为材料设计和制造的晶圆加工产业——制造行业 (Fabrication, FAB)。另外,还有组装产业,它将 加工过的晶圆切割成晶粒,并包装好以防止受潮或受压。

文章来源：半导体行业前沿