當(dāng)前位置：首頁(yè) > 行業(yè)資訊 > 科學(xué)技術(shù) >

石英到芯片，都經(jīng)歷了什么？

2020-10-04 21:06:12
來(lái)源：礦材網(wǎng)
0
0
添加收藏

文章來(lái)源于：礦材網(wǎng)
半導(dǎo)體作為我國(guó)最重要的產(chǎn)業(yè)之一，

每年為全球貢獻(xiàn)近五千億美金的產(chǎn)值，

可以毫不夸張的說(shuō)，

半導(dǎo)體技術(shù)無(wú)處不在。

俗話說(shuō)：巧婦難為無(wú)米之炊，

硅晶圓作為制造半導(dǎo)體器件和芯片的基本材料，

在產(chǎn)業(yè)中扮演著舉足輕重的地位，

硅是當(dāng)今最重要、應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料。

在實(shí)際的生產(chǎn)中，

我們通常將二氧化硅還原成單晶硅，

但是這個(gè)過(guò)程難度很高，

因?yàn)閷?shí)際用到的晶圓純度很高，

然后拉出單晶硅晶棒

再到最后切割成一片薄薄的晶圓。

再經(jīng)過(guò)晶圓涂膜、光刻顯影蝕刻、

離子注入、晶圓測(cè)試、封裝等流程，

芯片就制作完成了。

1.石英砂

硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的硅砂（尤其是石英）最多包含25％的硅元素，以二氧化硅（SiO2）的形式存在，這也是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

注：經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，半導(dǎo)體用石英砂要求粒度20-200目，外觀白色或結(jié)晶色。耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、高度絕緣、耐腐蝕、獨(dú)特的光學(xué)特性，二氧化硅含量99.5-99.9%，氧化亞鐵≤0.005%，氧化鐵≤0.001%。

2.硅熔煉

12英寸/300毫米晶圓級(jí)，通過(guò)多步凈化得到可用于半導(dǎo)體知道質(zhì)量的硅，學(xué)名電子級(jí)硅（EGS），平均每一百萬(wàn)個(gè)硅原子中最多只有一個(gè)雜質(zhì)原子。下圖展示的是如何通過(guò)硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠（ingot）。

3.單晶硅錠

整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度 99.9999％。

4.硅錠切割

橫向切割成圓形的單個(gè)硅片，也就是我們常說(shuō)的晶圓（Wafer）。順便說(shuō)，這下知道為什么晶圓都是圓形的了吧？

5.晶圓

切割出的是晶圓經(jīng)過(guò)拋光后變得幾乎完美無(wú)瑕，表面甚至可以當(dāng)鏡子。事實(shí)上，intel自己并不生產(chǎn)這種晶圓，而是從第三方半導(dǎo)體企業(yè)那里直接購(gòu)買成品，然后利用直接的生產(chǎn)線進(jìn)一步加工，比如現(xiàn)在主流的45nm HKMG（高K金屬柵極）。值得一提的是，intel公司創(chuàng)立之初使用的晶圓尺寸只有2英寸/50毫米。

6.光刻膠（Photo Resist）

下圖中藍(lán)色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)過(guò)程中澆上去的光刻膠液體，類似制作傳統(tǒng)膠片的那種。晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。

光刻一：光刻膠層隨后透過(guò)掩模（Mask）被曝光在紫外線（UV）之下，變得可溶，期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類似按下機(jī)械相機(jī)快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預(yù) 先設(shè)計(jì)好的電路圖案，紫外線透過(guò)它照在光刻膠層上，就會(huì)形成微處理器的每一層電路圖案。一般來(lái)說(shuō)，在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。

光刻二：由此進(jìn)入納米尺寸的晶體管級(jí)別。一塊晶圓上可以切割出數(shù)百個(gè)處理器，不過(guò)從這里開始把視野縮小到其中一個(gè)上，展示如何制作晶體管等部件。晶體管相當(dāng)于開關(guān)，控制著電流的方向�，F(xiàn)在的晶體管已經(jīng)如此之小，一個(gè)針頭上就能放下大約3000萬(wàn)個(gè)。

7.溶解光刻膠

光刻過(guò)程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。

8.蝕刻

使用化學(xué)物質(zhì)溶解掉暴露出來(lái)的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護(hù)著不應(yīng)該蝕刻的部分。

9.清除光刻膠

蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設(shè)計(jì)好的電路圖案。

10.光刻膠

再次澆上光刻膠（藍(lán)色部分），然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來(lái)保護(hù)不會(huì)離子注入的那部分材料。

11.離子注入（ion implantation）

在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過(guò)加速的，要摻雜的原子的離子照射（注入）固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域的硅的導(dǎo)電性。經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速后，注入的離子流的速度可以超過(guò)30萬(wàn)千米每小時(shí)。

12.清除光刻膠

離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入?yún)^(qū)域（綠色部分）也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時(shí)候的綠色和之前已經(jīng)有所不同。

13.晶體管就緒

至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個(gè)孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。

14.電鍍

在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會(huì)從正極走向負(fù)極。

15.銅層

電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個(gè)薄薄的銅層。

16.拋光

將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。

17.金屬層

晶體管級(jí)別，六個(gè)晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體管之間形成復(fù)合互連金屬層，具體布局取決于相應(yīng)處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來(lái)異常平滑，但事實(shí)上可能包含20多層復(fù)雜的電路，放大之后可以看到極其復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)，形如未來(lái)派的多層高速公路系統(tǒng)。