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芯片制造的10大关键工艺步骤

发布日期:2022-04-17 07:44 浏览量:469

   智能手机、电脑、游戏机等众多数码产品的更新迭代中,科技的改变悄然发生,而这些强大的性能大多源自于那些非常小却又足够复杂的科技产物——芯片。世界已被芯片所包围:2021年,全世界共生产了超过一万亿颗芯片,这相当于地球上每人拥有并使用130颗芯片。然而即使如此,近期的芯片依然表现出短缺。那么这些芯片又是如何被制造出来的,其中又有哪些关键步骤呢?

   尽管芯片已经可以被如此大规模地生产出来,生产芯片却并非易事。制造芯片的过程十分复杂,今天我们将会介绍十个最为关键的步骤:沉积、光刻胶涂覆、曝光、计算光刻、烘烤与显影、刻蚀、计量和检验、离子注入和封装。


1、沉积

   制造芯片的第一步,通常是将材料薄膜沉积到晶圆上。材料可以是导体、绝缘体或半导体。沉积步骤从晶圆开始,晶圆是从99.99%的纯硅圆柱体(也叫“硅锭”)上切下来的,并被打磨得极为光滑,然后再根据结构需求将导体、绝缘体或半导体材料薄膜沉积到晶圆上,以便能在上面印制第一层。这一重要步骤通常被称为 "沉积"。

   随着芯片变得越来越小,在晶圆上印制图案变得更加复杂。沉积、刻蚀和光刻技术的进步是让芯片不断变小,从而推动摩尔定律不断延续的关键。这包括使用新的材料让沉积过程变得更为精准的创新技术。

2、光刻胶涂覆

晶圆随后会被涂覆光敏材料“光刻胶”(也叫“光阻”)。光刻胶也分为两种——“正性光刻胶”和“负性光刻胶”。正性和负性光刻胶的主要区别在于材料的化学结构和光刻胶对光的反应方式。对于正性光刻胶,暴露在紫外线下的区域会改变结构,变得更容易溶解从而为刻蚀和沉积做好准备。负性光刻胶则正好相反,受光照射的区域会聚合,这会使其变得更难溶解。正性光刻胶在半导体制造中使用得最多,因其可以达到更高的分辨率,从而让它成为光刻阶段更好的选择。现在世界上有不少公司生产用于半导体制造的光刻胶。

   进行光刻前,首先要在晶圆上涂覆光敏材料“光刻胶”或“光阻”,然后将晶圆放入光刻机。光刻在芯片制造过程中至关重要,因为它决定了芯片上的晶体管可以做到多小。在这个阶段,晶圆会被放入光刻机中(没错,就是ASML生产的产品),被暴露在深紫外光(DUV)下。很多时候他们的精细程度比沙粒还要小几千倍。

3、曝光

   在掩模版上制作需要印刷的图案蓝图。晶圆放入光刻机后,光束会通过掩模版投射到晶圆上。光刻机的光学系统(DUV系统的透镜)将掩模版上设计好的电路图案缩小并聚焦到晶圆上的光刻胶涂层上。如之前介绍的那样,当光束照射到光刻胶上时,光刻胶发生化学反应,将掩模版上的图案印制到光刻胶涂层上。

   使曝光的图案完全正确是一项棘手的任务,粒子干扰、折射和其他物理或化学缺陷都有可能在这一过程中发生。这就是为什么有时候我们需要通过特地修正掩模版上的图案来优化最终的曝光图案,让印制出来的图案成为我们所需要的样子。我们的系统通过“计算光刻”将算法模型与光刻机、测试晶圆的数据相结合,从而生成一个和最终曝光图案完全不同的掩模版设计,但这正是我们想要达到的,因为只有这样才能得到所需要的曝光图案。

4、计算光刻

光刻期间产生的物理、化学效应可能造成图案形变,因此需要事先对掩模版上的图案进行调整,确保最终光刻图案的准确。ASML将现有光刻数据及圆晶测试数据整合,制作算法模型,精确调整图案。

5、烘烤与显影

   晶圆离开光刻机后,要进行烘烤及显影,使光刻的图案永久固定。洗去多余光刻胶,部分涂层留出空白部分。

6、刻蚀

   去除退化的光刻胶,以显示出预期的图案。在"刻蚀"过程中,晶圆被烘烤和显影,一些光刻胶被洗掉,从而显示出一个开放通道的3D图案。刻蚀工艺必须在不影响芯片结构的整体完整性和稳定性的情况下,精准且一致地形成导电特征。先进的刻蚀技术使芯片制造商能够使用双倍、四倍和基于间隔的图案来创造出现代芯片设计的微小尺寸。

   和光刻胶一样,刻蚀也分为“干式”和“湿式”两种。干式刻蚀使用气体来确定晶圆上的暴露图案。湿式刻蚀通过化学方法来清洗晶圆。一个芯片有几十层,因此必须仔细控制刻蚀,以免损坏多层芯片结构的底层。如果蚀刻的目的是在结构中创建一个空腔,那就需要确保空腔的深度完全正确。

7、计量和检验

   芯片生产过程中,始终对晶圆进行计量和检验,确保没有误差。检测结果反馈至光刻系统,进一步优化、调整设备。

8、离子注入

   一旦图案被刻蚀在晶圆上,晶圆会受到正离子或负离子的轰击,以调整部分图案的导电特性。作为晶圆的材料,原料硅不是完美的绝缘体,也不是完美的导体。硅的导电性能介于两者之间。

   将带电离子引导到硅晶体中,让电的流动可以被控制,从而创造出芯片基本构件的电子开关——晶体管,这就是 "离子化",也被称为 "离子注入"。在该层被离子化后,剩余的用于保护不被刻蚀区域的光刻胶将被移除。

9、视需要重复制程步驟

   从薄膜沉积到去除光刻胶,整个流程为晶圆片覆盖上一层图案。而要在晶圆片上形成集成电路,完成芯片制作,这一流程需要不断重复,可多达上百次。

10、封装芯片

   最后一步,切割晶圆,为了把芯片从晶圆上取出来,要用金刚石锯将其切成单个芯片。获得单个芯片,封装在保护壳中。这样,成品芯片就可以用来生产电视、平板电脑或者其他数字设备了!

   这些裸晶随后会被放置在“基板”上——这种基板使用金属箔将裸晶的输入和输出信号引导到系统的其他部分。然后我们会为它盖上具有“均热片”的盖子,均热片是一种小的扁平状金属保护容器,里面装有冷却液,确保芯片可以在运行中保持冷却。


   现在,芯片已经成为你的智能手机、电视、平板电脑以及其他电子产品的一部分了。它可能只有拇指大小,但一个芯片可以包含数十亿个晶体管。

   当然,半导体制造涉及到的步骤远不止这些,芯片还要经过量测检验、电镀、测试等更多环节,每块芯片在成为电子设备的一部分之前都要经过数百次这样的过程。

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