本文簡(jiǎn)單介紹了芯片制造的7個(gè)前道工藝。

在探索現(xiàn)代科技的微觀奇跡中，芯片制造無(wú)疑扮演著核心角色，它不僅是信息技術(shù)飛速發(fā)展的基石，也是連接數(shù)字世界與現(xiàn)實(shí)生活的橋梁。本文將帶您深入芯片制造的前道工藝。這一精密而復(fù)雜的流程主要包括以下幾個(gè)工藝過(guò)程：晶圓制造工藝、熱工藝、光刻工藝、刻蝕工藝、離子注入工藝、薄膜淀積工藝、化學(xué)機(jī)械拋光工藝。

晶圓制造工藝

晶圓制造工藝包括單晶生長(zhǎng)、晶片切割和晶圓清洗。 半導(dǎo)體晶圓源自對(duì)大體積半導(dǎo)體基材的精確切割，這些基材原本多為具有多晶形態(tài)且未經(jīng)摻雜的本征物質(zhì)。通過(guò)特定的工藝，這些多晶塊被轉(zhuǎn)化為單晶結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過(guò)精確的方向定位及適量的摻雜處理。稱為單晶生長(zhǎng)。常用的單晶生長(zhǎng)方法主要有直拉法和懸浮區(qū)熔法兩種。此過(guò)程中主要用到單晶生長(zhǎng)設(shè)備。 當(dāng)結(jié)晶錠冷卻后，采用適宜工藝對(duì)晶體切割產(chǎn)生晶圓片，針對(duì)晶圓片表面的損傷和沾污，常采用刻蝕的方式進(jìn)行處理。常規(guī)磨削工藝完成后，硅片表層會(huì)遺留一層很薄的表面缺陷，于是需要進(jìn)一步的拋光處理。目前最廣泛的潘光技術(shù)是化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（CMP），此工藝能有效確保硅片表面實(shí)現(xiàn)高度平滑，達(dá)到光潔無(wú)瑕、宛如鏡面的理想狀態(tài)。 最后經(jīng)過(guò)清洗、檢查及包裝后形成用于集成電路設(shè)計(jì)的晶圓襯底。該過(guò)程是一個(gè)多重工藝過(guò)程，使用到的設(shè)備具體包括內(nèi)圓切割設(shè)備和線切割設(shè)備、濕法清洗設(shè)備、化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備等。晶圓和芯片的加工流程如圖所示。

熱工藝

熱工藝包括熱氧化、擴(kuò)散和退火。 熱氧化工藝是在硅片表層通過(guò)熱過(guò)程形成一層均勻的絕緣或掩蔽介質(zhì)薄膜。這一過(guò)程包含兩種主要方法：一是高溫干氧氧化，即在高溫條件下引入純凈的干燥氧氣，促使硅片表面緩慢地生長(zhǎng)出結(jié)構(gòu)緊密的二氧化硅薄膜，此薄膜具有較低的固定電荷密度；二是高溫濕氧氧化，該方法利用氫氣與氧氣反應(yīng)生成的水蒸氣對(duì)硅片進(jìn)行氧化，其氧化速度相較于干氧法顯著提升，適用于生成較厚的二氧化硅層，但所得氧化層的致密度稍遜于干氧氧化所得。 擴(kuò)散是物質(zhì)在分子熱運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下，由高濃度向低濃度流動(dòng)的一種基本物理現(xiàn)象。擴(kuò)散摻雜工藝在早期的集成電路工業(yè)中占主導(dǎo)地位。通過(guò)在硅表面引入高濃度的摻雜劑，通過(guò)擴(kuò)散作用改變硅等半導(dǎo)體襯底材料的導(dǎo)電性。在IC工業(yè)的早期，擴(kuò)散被廣泛用于半導(dǎo)體摻雜。隨著摻雜技術(shù)的發(fā)展，在高級(jí)集成電路晶圓廠中，很少采用擴(kuò)散工藝進(jìn)行摻雜。氧化工藝與擴(kuò)散工藝采用的設(shè)備基本一致，一般是立式爐、臥式爐和快速熱處理爐。

光刻工藝

光刻工藝是集成電路芯片制造過(guò)程中至關(guān)重要且應(yīng)用廣泛的環(huán)節(jié)，其核心功能在于將掩模版上的設(shè)計(jì)圖案精確轉(zhuǎn)移到襯底表面的光刻膠層，從而形成預(yù)設(shè)的電路圖案。 依據(jù)曝光技術(shù)的差異，光刻可被細(xì)分為接觸式、鄰近式及投影式三類；而依據(jù)對(duì)準(zhǔn)操作所涉及的面數(shù)，它又能被區(qū)分為單面與雙面對(duì)準(zhǔn)光刻；再者，依據(jù)光刻膠層厚度的不同，光刻技術(shù)還能進(jìn)一步分為薄膠與厚膠工藝。 一個(gè)完整的光刻流程通常包含預(yù)處理、涂覆光刻膠（均勻涂覆）、預(yù)烘烤、精確對(duì)準(zhǔn)與曝光、顯影處理以及后烘烤等一系列步驟。這些步驟可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)整。 光刻機(jī)作為大規(guī)模集成電路生產(chǎn)的基石，其重要性不言而喻，是支撐光學(xué)與電子工業(yè)持續(xù)發(fā)展的核心裝備。光刻工藝流程如圖所示。

刻蝕工藝

刻蝕技術(shù)是用于精確去除未被抗蝕材料遮蓋的部分薄膜區(qū)域，以便在薄膜上精確復(fù)制抗蝕層上的圖案。 在集成電路制造流程中，首先通過(guò)掩模定位、曝光及顯影等步驟，在抗蝕層上形成所需圖案，或直接使用電子束在抗蝕層上繪制圖案。接著，將這些圖案精確轉(zhuǎn)移至其下方的介質(zhì)薄膜（例如二氧化硅、多晶硅）或金屬薄膜（例如鋁及其合金）上，構(gòu)建所需的薄層構(gòu)造。 刻蝕技術(shù)主要分為干法刻蝕與濕法刻蝕兩類。干法刻蝕主要依賴反應(yīng)氣體與等離子體的相互作用來(lái)完成刻蝕；而濕法刻蝕則是利用化學(xué)試劑與被刻蝕材料間的化學(xué)反應(yīng)來(lái)達(dá)成目的。目前，鑒于其高效性，干法刻蝕裝置在集成電路制造中得到了廣泛應(yīng)用。

離子注入工藝

離子注入技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用的摻雜手段，將高能離子束滲透至固體材料表層，從而改變其物理和化學(xué)特性。 在半導(dǎo)體材料中注入特定的雜質(zhì)離子（例如，向硅中植入硼、磷或砷等元素），能有效調(diào)節(jié)其表面的電導(dǎo)率或構(gòu)建PN結(jié)。與傳統(tǒng)的擴(kuò)散法相比，離子植入技術(shù)具有更低的操作溫度、便于形成淺結(jié)、雜質(zhì)分布易于大面積均勻化以及便于自動(dòng)化操作等優(yōu)勢(shì)。 如今，離子注入已成為集成電路制造中不可或缺的摻雜步驟，通常由離子注入設(shè)備來(lái)完成這一工藝。離子注入結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。

薄膜淀積工藝

薄膜淀積工藝主要包括物理氣相淀積和化學(xué)氣相淀積。 物理氣相沉積(PVD)技術(shù)是在真空條件下，運(yùn)用物理方法把固態(tài)或液態(tài)源物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的原子、分子或離子形式，再借助低壓氣體氛圍（含等離子體）的作用，讓這些氣態(tài)粒子在基底上沉積，以形成具備特定功能的薄膜。 PVD技術(shù)包含多種具體方法，例如真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)、濺射鍍膜技術(shù)、電弧等離子體鍍膜、離子鍍膜以及分子束外延技術(shù)等。時(shí)至今日，PVD技術(shù)不僅限于制備金屬膜與合金膜，它還廣泛應(yīng)用于沉積化合物膜、陶瓷薄膜、半導(dǎo)體薄膜及聚合物薄膜等多種類型的材料上。典型的PVD反應(yīng)系統(tǒng)示意圖如圖所示。

熱蒸鍍示意圖 電子束蒸鍍示意圖 化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)是將構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)或經(jīng)氣化后的液態(tài)反應(yīng)物，連同必要的氣體輔助劑，導(dǎo)入反應(yīng)腔內(nèi)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在基底表面生成薄膜。 這一技術(shù)在超大規(guī)模集成電路制造中占據(jù)核心地位，被廣泛應(yīng)用于制備諸如二氧化硅膜、氮化鈦膜、非晶硅膜等多種薄膜材料。CVD技術(shù)展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，包括沉積溫度較低、薄膜組分與厚度能精確調(diào)控、沉積速率與時(shí)間高度正相關(guān)、優(yōu)異的均勻性與重復(fù)性、臺(tái)階覆蓋率良好以及操作便捷。特別是其低溫沉積能力和出色的臺(tái)階覆蓋性，極大促進(jìn)了超大規(guī)模集成電路的制造進(jìn)程，使之成為集成電路生產(chǎn)中不可或缺的薄膜沉積手段。常用的CVD設(shè)備涵蓋常壓CVD系統(tǒng)、低壓CVD裝置以及等離子體輔助CVD設(shè)備等。CVD反應(yīng)系統(tǒng)示意圖如圖所示。

化學(xué)機(jī)械拋光工藝

化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)是集成電路制造中確保全局表面平整度的關(guān)鍵步驟，它能生成既光滑又無(wú)損傷和雜質(zhì)污染的表面。 CMP結(jié)合了化學(xué)與機(jī)械的雙重機(jī)制：首先，工件表層材料與拋光液中的化學(xué)試劑發(fā)生反應(yīng)，形成一層易于剝離的軟化層；隨后，借助拋光液內(nèi)的磨粒與拋光墊的機(jī)械摩擦作用，去除這層軟化物質(zhì)，暴露出新鮮的工件表面繼續(xù)參與化學(xué)反應(yīng)。這一過(guò)程在化學(xué)與機(jī)械效應(yīng)的不斷交替中，實(shí)現(xiàn)工件表面的精細(xì)拋光。 隨著光刻技術(shù)中透鏡的數(shù)值孔徑越來(lái)越大導(dǎo)致了曝光視場(chǎng)聚焦深度越來(lái)越淺的問(wèn)題，以及多層金屬互連工藝的廣泛應(yīng)用，CMP技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并迅速發(fā)展，市場(chǎng)需求也持續(xù)增長(zhǎng)。CMP設(shè)備集成了機(jī)械工程、流體力學(xué)、材料化學(xué)、精密制造以及先進(jìn)控制軟件等多學(xué)科的尖端技術(shù)，是集成電路制造設(shè)備中技術(shù)復(fù)雜度高、研發(fā)難度大的設(shè)備類別之一。