芯片是怎樣“煉”成的？

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2023-02-16 06:40:28 666

芯片制造有數(shù)百道工序，制造過程分為晶圓加工、氧化、光刻、刻蝕、薄膜沉積、互連、測試和封裝八個步驟，涉及到的工廠有晶圓加工廠、Fab和封測廠。其中，電子級的晶圓加工廠在國內(nèi)占比較小，能做高端邏輯芯片的工廠只有臺積電，但國內(nèi)的封測廠現(xiàn)階段已經(jīng)比較成熟。

硅晶圓的生產(chǎn)

為什么我們要使用硅做半導(dǎo)體的原材料？因?yàn)楣璧膬α控S富且價格低廉，易于獲取，硅還有著優(yōu)良的熱性能與機(jī)械性能；硅材料還具有易于生長成大尺寸高純度晶體的特點(diǎn)，現(xiàn)在階段，硅材料的工藝流程處在成熟的發(fā)展階段。但硅材料的物理性質(zhì)（禁帶寬度、電子遷移速率、飽和速率等）限制了其在光電子和高頻、高功率器件上的應(yīng)用。隨著高速信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，砷化鎵這種半導(dǎo)體新材料迅速發(fā)展，因?yàn)殒壍碾娮舆w移率是硅的6倍多，其具有硅器件所不具有的高頻、高速和光電性能，并可在同一芯片同時處理光電信號，被公認(rèn)是新一代的通信應(yīng)用材料。在本文中，我們談到的的芯片原材料，仍圍繞著硅材料展開。

晶圓加工的原材料是高純度的硅，硅在自然界多以化合物形式存在，原材料加工工廠把石英沙經(jīng)過冶煉去除雜質(zhì)，經(jīng)過物理提純和還原，把化合物的硅變成電子級的多晶硅（99.999999%的硅含量）。由于多晶硅在光學(xué)、機(jī)械、力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性質(zhì)方面不如單晶硅，所以要制造芯片，還需要把多晶硅變成單晶硅。展開來說，制作晶圓需要鑄錠、切割和拋光三個步驟。在晶圓制造材料中，硅片占比為35%，市場規(guī)模可達(dá)上百億美金。

? 鑄錠

鑄錠就是通過直拉法（Czochralski，CZ法）或區(qū)熔法（Floating Zone法，F(xiàn)Z法），把多晶硅拉成單晶硅棒的過程。具體而言，就是將電子級純度的多晶硅放在石英坩堝中加熱，得到硅溶液，把一根電子級高純度硅棒放進(jìn)硅溶液后，經(jīng)過引晶、收頸、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑生長和收尾這些專業(yè)步驟，得到一根極高純度的單晶硅棒。

鑄錠的過程

? 錠切割

由于直拉法無法獲得一個*的圓柱體，整個硅錠都會有尺寸的偏差，因此，這根生長出來的硅錠還需要修整和研磨。鑄錠完成后，需要用金剛石鋸切掉鑄錠的兩端，成為一個硅段，并經(jīng)過滾磨后，得到目標(biāo)尺寸；滾磨完成后，會在硅段的側(cè)面再磨出一個平面或一道溝槽，這就是之后硅片上的定位邊（flat，小于12寸）或定位槽（notch）。光刻機(jī)需要通過定位邊對硅片進(jìn)行最開始的定位和校準(zhǔn)。此外，定位邊還可用來標(biāo)明硅片的類型和晶向。接著把硅段切片，目前主流的方式是使用金剛線的多線切割機(jī)。

? 倒角

這一步是通過倒角機(jī)把硅片邊緣的直角邊磨成圓弧形，這樣處理可以減少邊緣崩裂的風(fēng)險。同時，圓弧狀的邊還有兩個優(yōu)點(diǎn)：一是在光刻時，光刻膠是通過旋轉(zhuǎn)的方式涂抹在硅表面上的，圓弧形的硅片邊緣可以避免光刻膠因?yàn)殡x心力在邊緣處累積造成厚度不均；二是在做外延生長時，沉積物會優(yōu)先堆積在直角邊，影響沉積較效果，而圓弧狀的邊可以消除邊緣沉積的現(xiàn)象。

倒角示意圖

? 晶圓表面拋光

切割過后的薄片被稱為“裸片”。能直接印刷電路圖形的硅片，其光滑度和平整度要控制在1nm以內(nèi)，就像影院的imax大幕布，起伏波動不能超過一根頭發(fā)絲，所以裸片的表面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能直接用來印刷電路圖形。因此，需要用化學(xué)-機(jī)械拋光法（CMP）進(jìn)行反復(fù)多次地拋光，拋光的過程涉及到拋光機(jī)、拋光液、拋光墊、后CMP清洗設(shè)備、拋光終點(diǎn)檢測及工藝控制設(shè)備、廢物處理和檢測設(shè)備等。其中，拋光液和拋光墊占據(jù)整個CMP的80%以上價值。

晶圓表面拋光示意圖

以上步驟就是為芯片的制造提供基礎(chǔ)硅晶圓材料。目前全球90%以上的硅晶圓份額被日本信越化學(xué)（Shin-Etsu）、日本勝高科技（SUMCO）、臺灣環(huán)球晶圓(Global Wafer)、德國世創(chuàng)(Siltronic)、韓國SK Siltron（原LG Siltron）五家企業(yè)瓜分。其他的硅晶圓廠商還有法國Soitec、芬蘭Okmet、臺灣合晶(Wafer Works)、臺灣嘉晶(Episil)等；國內(nèi)較為知名的硅晶圓廠商有上海新昇半導(dǎo)體科技有限公司、浙江金瑞泓科技股份有限公司、天津市環(huán)歐半導(dǎo)體材料技術(shù)有限公司、安徽易芯半導(dǎo)體有限公司、合晶科技股份有限公司（臺灣合晶投資）、寧夏銀和半導(dǎo)體科技有限公司等。

氧化

當(dāng)每塊磨得比鏡子還光滑萬倍的硅片送到fab廠，就開始了它們成為芯片的旅程。在給芯片印刷電路板前，需要給它加一層保護(hù)膜，即氧化。氧化的過程會在整個芯片的制程中反復(fù)多次進(jìn)行。不同的工藝、器件上做表面氧化處理的目的不同，例如需要沉積大應(yīng)力薄膜、進(jìn)行深刻蝕等。氧化過程的*步是去有機(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數(shù)百上千度的高溫環(huán)境下，通過氧氣和蒸氣在晶圓表面的流動形成二氧化硅層。熱氧化過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；后者需同時使用氧氣和高溶解度的水蒸氣，其特點(diǎn)是生長速度快，但保護(hù)層相對較厚且結(jié)構(gòu)略粗糙。實(shí)際生產(chǎn)中，一般會用“干氧氧化+濕氧氧化+干氧氧化”這樣常規(guī)三步熱氧化模式，既保證了二氧化硅表面和界面的質(zhì)量，又解決了生長速率的問題。

光刻

“光刻”是制造芯片的基礎(chǔ)，光刻可分為涂覆光刻膠、曝光和顯影沖洗三個步驟。光刻工序需要光刻機(jī)、光掩膜和光刻膠。光掩膜是芯片的藍(lán)圖，是一張有集成電路版圖的玻璃遮光板。一塊先進(jìn)制程的硅片上，需要用到數(shù)百張掩膜。光刻機(jī)就像納米級的打印機(jī)，將光掩膜上的圖形投射在硅片上，光刻膠則是能把光影化為現(xiàn)實(shí)的一種膠體。

荷蘭ASML的光刻機(jī)

? 涂覆

涂覆就是給硅片涂光刻膠，可以理解為：涂上了光刻膠的晶圓就像一張張“相紙”。光刻膠被從容器中取出滴布到置于涂膠機(jī)中的晶圓表面，晶圓高速旋轉(zhuǎn)，光刻膠在離心力的作用下向邊緣流動。光刻膠有正膠和負(fù)膠之分，凡是特定波長的光照過的地方，膠水可以被去除的就是正膠；如果產(chǎn)生了交聯(lián)反應(yīng)，光照的地方堅(jiān)挺，未被照過的地方能被去除的是負(fù)膠。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)。涂膠過程中，要嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)速和排風(fēng)大小，以防止任何細(xì)微的氣泡產(chǎn)生。此外，甩到硅片邊緣的膠體一定需要切割和磨邊，盡量減少光刻膠在硅片邊緣的沉積。光刻膠在晶圓制造材料中，約占有6%的市場份額，約有20多億美金的市場，雖然光刻膠占比不大，但是卻飽含著極高的技術(shù)含量，其中日本光刻膠廠商在這個領(lǐng)域占據(jù)了大部分市場份額，尤其是在Arf（12寸晶圓制程）光刻膠市場，日本企業(yè)幾乎占據(jù)了全球百分之九十以上的市場份額。

涂覆示意圖

? 曝光

晶圓均勻覆蓋光刻膠薄膜后，需要烘烤以增加光刻膠粘性。在100℃左右的爐子或者鐵板上烘烤一分鐘后，光刻機(jī)就上場了。這個步驟如同相機(jī)照相一樣，相機(jī)拍攝的照片是印在底片上，而光刻則是把光掩模上的電路圖復(fù)刻到硅片上那一層薄薄的光刻膠上。光刻膠只要遇到了光，就會發(fā)生分解或交聯(lián)作用，再經(jīng)過光刻機(jī)的曝光，在一張晶圓上就會形成成千上萬的溝槽，在曝光過程中，印刷圖案越精細(xì)，最終的芯片就能夠容納更多元件。

在光刻機(jī)的領(lǐng)域，要高度的光學(xué)和電子工業(yè)基礎(chǔ)，因此最早的光刻機(jī)市場被日本的佳能、尼康占據(jù)，而荷蘭的ASML憑借臺積電科學(xué)家林本堅(jiān)發(fā)明的“浸入式光刻技術(shù)”方案，成功將光源波長一舉從193nm縮短到132nm。隨后ASML又加入了由Intel和美國能源部牽頭組建EUV LLC前沿技術(shù)組織，至此，尼康、佳能逐漸失去了光刻機(jī)的市場，國際上技術(shù)最先進(jìn)，最主流的光刻機(jī)市場被ASML牢牢占據(jù)。而分辨率在數(shù)微米以上的光刻機(jī)，則主要有德國SUSS、美國MYCRO NXQ4006、以及中國的一些品牌品牌，這些光刻機(jī)主要用在生產(chǎn)線和研發(fā)上。

目前備受矚目的新技術(shù)是極紫外光源（EUV）光刻技術(shù)。在這道工序中起作用的光刻機(jī)，也是整個芯片制程中最關(guān)鍵的設(shè)備。以頭ASML為例，一臺價值10億的光刻機(jī)里，包含了10萬個零部件，需要上游5000多家供應(yīng)商協(xié)作；這臺光刻機(jī)中也蘊(yùn)藏了眾多人類工程學(xué)的諸多*之作。例如：表面起伏不超過0.05納米Zeiss透鏡，是地球文明最接近三體水滴的得意之作；能同步對準(zhǔn)和曝光的雙工件臺系統(tǒng)，是阿斯麥法成為*光刻機(jī)廠商的法寶之一；TRUMPF和ASML、Zeiss合作研發(fā)的，每秒可以把5萬個液態(tài)錫滴轟成等離子體的激光放大器，則是產(chǎn)生EUV的關(guān)鍵。

曝光示意圖

? 顯影沖洗

從光刻機(jī)出來后還要經(jīng)歷曝光后的烘焙，簡稱后烘。這一步的目的是通過加熱讓光刻膠中的光化學(xué)反應(yīng)充分完成，可以彌補(bǔ)曝光強(qiáng)度不足的問題；同時還能減少光刻膠顯影后由于助駐效應(yīng)產(chǎn)生的一圈圈紋路。后烘可以把之前曝光的部分溶解清除，光掩膜上的圖形就浮現(xiàn)在了光刻膠上，這就是顯影和沖洗。之后的步驟是浸潤硅片，涂顯影液，再去除多余光刻膠，從而讓印刷好的電路圖案顯現(xiàn)出來。顯影完成后需要通過各種測量設(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。一張硅片要反復(fù)經(jīng)過上千次這樣的操作，才能雕刻出數(shù)以億計(jì)的電子細(xì)節(jié)及其對應(yīng)的電路連接，最終成為一枚小小芯片。

目前，整個光刻流程所必需的光刻機(jī)、光刻膠和光掩膜，國產(chǎn)替代程度都很低。

顯影沖洗示意圖

刻蝕

在晶圓的光刻膠上完成電路圖的光刻后，需要先摻雜。純凈的硅是不導(dǎo)電的，所有的電子都束縛在硅原子的周圍，摻雜也就是改變硅片的電學(xué)特性，讓這塊硅片獲得所需的電學(xué)參數(shù)。摻雜的方式主要有擴(kuò)散和離子注入，兩種方法互補(bǔ)使用，擴(kuò)散可應(yīng)用于形成深結(jié)，離子注入可形成淺結(jié)。接著，就要用刻蝕工藝去除多余的氧化膜，只留下半導(dǎo)體電路圖。刻蝕有兩種方式：一是使用液態(tài)化學(xué)品的濕法刻蝕，讓硅片在強(qiáng)酸強(qiáng)堿的中“泡澡”；另一種是使用氣體等離子體的干法刻蝕，讓硅片在化學(xué)氣體的離子轟擊下局部“瘦身”。使用化學(xué)溶液去除氧化膜的濕法刻蝕具有成本低、刻蝕速度快和生產(chǎn)率高的優(yōu)勢，但這種方法的精度較低，如今干法刻蝕已經(jīng)被廣泛使用，以提高精細(xì)半導(dǎo)體電路的良率。保持全晶圓刻蝕的均勻性并提高刻蝕速度至關(guān)重要，目前最先進(jìn)的干法刻蝕設(shè)備正在以更高的性能，支持最為先進(jìn)的邏輯和存儲芯片的生產(chǎn)。

芯片的刻蝕機(jī)市場方面，美國泛林半導(dǎo)體市場占有率是全球*，日本的東京電子的ccp（capacitive coupled plasma 電容耦合）刻蝕機(jī)占到全球出貨量的一半，美國應(yīng)用材料公司是刻蝕機(jī)多應(yīng)用在*存儲器和邏輯芯片上，中國的中微公司和北方華創(chuàng)是后起之秀，其中，中微公司的5nm刻蝕機(jī)是國內(nèi)*一家被臺積電所認(rèn)可的設(shè)備廠商；北方華創(chuàng)的硅刻蝕技術(shù)一家突破了14納米。

蝕刻示意圖

薄膜沉積

以上步驟是給芯片“挖溝槽”，挖好了溝槽，就要添加一些材料將不同的器件分離開來。這時需要不斷地沉積一層層的薄膜并刻蝕掉多余部分，就如樂高積木一樣層層搭建。將這些厚度小于1微米的薄膜放到晶圓挖好的溝槽的過程就是“沉積”。先進(jìn)的制程需要在晶圓表面反復(fù)交替堆疊多層薄導(dǎo)電膜和絕緣膜，再通過刻蝕工藝去除多余部分并形成三維結(jié)構(gòu)。所以整個芯片的制造流程，有很多步驟都是要反復(fù)進(jìn)行的。可用于沉積過程的技術(shù)包括化學(xué)氣相沉積 (CVD)、原子層沉積(ALD) 和物理氣相沉積(PVD)，采用這些技術(shù)的方法又可以分為干法和濕法沉積兩種。

原子層沉積(ALD)示意圖

在以上的制程里，主要的設(shè)備、材料的供應(yīng)商大多都?xì)W美、日韓的企業(yè)，我國這些年也涌現(xiàn)除了不少優(yōu)秀的半導(dǎo)體設(shè)備廠商，雖然在市場份額上和歐美、日韓企業(yè)無法相提并論，但近幾年，國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備廠商通過自主研發(fā)，已在多個工藝制程中實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的國產(chǎn)化替代，并進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)階段，在半導(dǎo)體設(shè)備的專題中，我們將會詳細(xì)討論國內(nèi)外半導(dǎo)體設(shè)備的對比。

互連

要實(shí)現(xiàn)電與信號的發(fā)送與接收，還要把通過沉積構(gòu)建的晶體元件連接起來。用于半導(dǎo)體的金屬需要滿足以下條件：低電阻率、熱化學(xué)穩(wěn)定性和高可靠性，同時還要低成本，所以互連工藝主要使用鋁和銅這兩種物質(zhì)。隨著半導(dǎo)體工藝提升和芯片尺寸的縮小，鋁電路的連接速度和電氣特性逐漸無法滿足要求，銅已經(jīng)替代鋁成為互連工序的主要材料。

測試

測試的主要目標(biāo)是檢驗(yàn)半導(dǎo)體芯片的質(zhì)量是否達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，從而消除不良產(chǎn)品，并提高芯片的可靠性。此外，經(jīng)測試有缺陷的產(chǎn)品不會進(jìn)入封裝步驟，有助于節(jié)省成本和時間。電氣參數(shù)監(jiān)控(EPM)是半導(dǎo)體芯片測試的*步。該步驟將對半導(dǎo)體集成電路需要用到的每個器件（包括晶體管、電容器和二極管）進(jìn)行測試，確保其電氣參數(shù)達(dá)標(biāo)。EPM的主要作用是提供測得的電氣特性數(shù)據(jù)，用于提高半導(dǎo)體制造工藝的效率和產(chǎn)品性能。晶圓老化測試：將晶圓置于一定的溫度和AC/DC電壓下進(jìn)行測試，由此找出其中可能在早期發(fā)生缺陷的產(chǎn)品，測試完成后，需要用探針卡將半導(dǎo)體芯片連接到測試裝置，之后就可以對晶圓進(jìn)行溫度、速度和運(yùn)動測試以檢驗(yàn)相關(guān)半導(dǎo)體功能。

封裝

經(jīng)過之前幾道工藝的處理，現(xiàn)在的晶圓上已經(jīng)形成數(shù)百片大小相等的方形芯片。接著，把這些小方片切好，便可以得到一顆顆用于各種設(shè)備上的芯片。當(dāng)然，這些剛切割下來的小方片是很脆弱的，還不能交換電信號，需要進(jìn)行封裝后，才能形成芯片。封裝是指在半導(dǎo)體芯片外部形成保護(hù)殼，并使得它們能夠與外部交換電信號。整個封裝制程分為五步，即晶圓鋸切、單個晶片附著、互連、成型和封裝測試。

芯片制造是個“點(diǎn)沙成金”的過程，一顆芯片從設(shè)計(jì)到誕生，經(jīng)歷了漫長的“旅行”。本文對芯片制造的基本步驟進(jìn)行了簡單梳理，實(shí)際上，芯片的制程要復(fù)雜得多，越先進(jìn)的制程，就有著越復(fù)雜的工藝，每一步都凝結(jié)著人類智慧的結(jié)晶。

免責(zé)聲明：本文原創(chuàng)作者張國斌，本文僅代表作者個人觀點(diǎn)，不代表薩科微及行業(yè)觀點(diǎn)，只為轉(zhuǎn)載與分享，支持保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，轉(zhuǎn)載請注明原出處及作者，如有侵權(quán)請聯(lián)系我們刪除。

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