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半導體芯片制造的復雜工藝流程

半導體芯片制造的復雜工藝流程

目前電子信息制造領域的自動化、智能化水平,僅次于汽車工業。在半導體產業中,晶圓制造的自動化、智能化水平最高。

以下為半導體芯片生產工序簡析:

1、硅提純

生產芯片等芯片的材料是半導體,現階段主要的材料是硅Si,這是一種非金屬元素,從化學的角度來看,由于它處于元素 周期表中金屬元素區與非金屬元素區的交界處,所以具有半導體的性質,適合于制造各種微小的晶體管,是目前最適宜于制造現代大規模集成電路的材料之一。

在硅提純的過程中,原材料硅將被熔化,并放進一個巨大的石英熔爐。這時向熔爐里放入一顆晶種,以便硅晶體圍著這顆晶種生長,直到形成一個幾近完美的單晶硅。以往的硅錠的直徑大都是200毫米,而芯片廠商正在增加300毫米晶圓的生產。

2、切割晶圓

硅錠造出來了,并被整型成一個完美的圓柱體,接下來將被切割成片狀,稱為晶圓。晶圓才被真正用于芯片的制造。所謂的“切割晶圓”也就是用機器從單晶硅棒上切割下一片事先確定規格的硅晶片,并將其劃分成多個細小的區域,每個區域都將成為一個芯片的內核(Die)。一般來說,晶圓切得越薄,相同量的硅材料能夠制造的芯片成品就越多。

3、影?。≒hotolithography)

在經過熱處理得到的硅氧化物層上面涂敷一種光阻(Photoresist)物質,紫外線通過印制著芯片復雜電路結構圖樣的模板照射硅基片,被紫外線照射的地方光阻物質溶解。而為了避免讓不需要被曝光的區域也受到光的干擾,必須制作遮罩來遮蔽這些區域。這是個相當復雜的過程,每一個遮罩的復雜程度得用幾十個GB數據來描述。

4、蝕刻(Etching)

這是芯片生產過程中重要操作,也是芯片工業中的重頭技術。蝕刻技術把對光的應用推向了極限。蝕刻使用的是波長很短的紫外光并配合很大的鏡頭。短波長的光將透過這些石英遮罩的孔照在光敏抗蝕膜上,使之曝光。接下來停止光照并移除遮罩,使用特定的化學溶液清洗掉被曝光的光敏抗蝕膜,以及在下面緊貼著抗蝕膜的一層硅。然后,曝光的硅將被原子轟擊,使得暴露的硅基片局部摻雜,從而改變這些區域的導電狀態,以制造出N井或P井,結合上面制造的基片,芯片的門電路就完成了。

5、重復、分層

為加工新的一層電路,再次生長硅氧化物,然后沉積一層多晶硅,涂敷光阻物質,重復影印、蝕刻過程,得到含多晶硅和硅氧化物的溝槽結構。重復多遍,形成一個3D的結構,這才是最終的芯片的核心。每幾層中間都要填上金屬作為導體。層數決定于設計時芯片的晶體管布局和晶體管規模,以及通過的電流大小。

6、封裝

這時的芯片是一塊塊晶圓,它還不能直接被用戶使用,必須將它封入一個陶瓷的或塑料的封殼中,這樣它就可以很容易地裝在一塊電路板上了。封裝結構各有不同,但越高級的芯片封裝也越復雜,新的封裝往往能帶來芯片電氣性能和穩定性的提升,并能間接地為主頻的提升提供堅實可靠的基礎。

7、多次測試

測試是一個芯片制造的重要環節,也是一塊芯片出廠前必要的考驗。這一步將利用X-RAY觀察IC芯片內部結構,通過檢測到芯片中的綁定線(焊線)和焊接點,用以判斷芯片焊接是否符合標準,是否存在脫焊、虛焊、漏焊、錯焊等現象,從而發現IC芯片工藝中的物理缺陷和不良品。最后,個別芯片可能存在某些功能上的缺陷,如果問題出在緩存上,制造商仍然可以屏蔽掉它的部分緩存,這意味著這塊芯片依然能夠出售,只是它可能是Celeron等低端產品。當芯片被放進包裝盒之前,一般還要進行最后一次測試,以確保之前的工作準確無誤。根據前面確定的最高運行頻率和緩存的不同,它們被放進不同的包裝,銷往世界各地。

大部分晶圓廠實力雄厚,資金充裕,一般在上下物料、碼垛等環節已經實現了機器人的普及,節省了人力成本。另一方面,在摩爾定律推動下,半導體制造行業也通過創新研發周期,并提供大批量定制化、個性化方案,以快速響應市場需求。


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