芯片的制作為什么要用半導(dǎo)體？Wafer晶圓半導(dǎo)體制造工藝

從一堆沙子，到一個(gè)精密的芯片，這中間究竟經(jīng)歷了什么環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)又需要什么樣的技術(shù)呢？跟著小編一起來學(xué)習(xí)一下！

1.從砂子到硅片

所謂“半導(dǎo)體”，是一種導(dǎo)電性能介于“導(dǎo)體”和“絕緣體”之間的物質(zhì)總稱。導(dǎo)體能導(dǎo)電，比如鐵銅銀等金屬，絕緣體不導(dǎo)電，比如橡膠。芯片的制作為什么要用半導(dǎo)體？因?yàn)榘雽?dǎo)體的導(dǎo)電與所加電場(chǎng)方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電是可以有方向性的。比如，給半導(dǎo)體兩端加上正電壓，它可能就導(dǎo)電；反之，將它兩端所加的電壓極性反過來，就不導(dǎo)電。而這種性能，可以做成“電子開關(guān)”。我們都聽說過“計(jì)算機(jī)做的都是二進(jìn)制的0-1運(yùn)算”，這種運(yùn)算體現(xiàn)在物理層面就是指“高低電位的變化”，高電位代表1，低電位代表0。高低電位在復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)下面可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的轉(zhuǎn)化，這樣表現(xiàn)出來就好像是計(jì)算機(jī)在做01運(yùn)算。半導(dǎo)體的這種電學(xué)特性可以設(shè)計(jì)成電子開關(guān)，可以很好實(shí)現(xiàn)高低電位的轉(zhuǎn)化。

在自然界中，獲取成本最低的半導(dǎo)體就是硅。而硅料的提取是熔煉砂子。提到這里可能有朋友想到“光伏電池片用的也是硅片”。沒錯(cuò)，生產(chǎn)芯片和生產(chǎn)光伏電池片在硅片制作環(huán)節(jié)是非常相似的，都是需要先熔煉取硅，然后做切割、研磨等工藝。因此，你可能會(huì)看到一些光伏產(chǎn)業(yè)鏈的股票也伴有半導(dǎo)體概念，比如高測(cè)股份。

芯片用硅和光伏用硅最大的區(qū)別就在于純度不同。在純度方面，光伏用單晶硅片的純度要求硅含量為4N-6N之間（99.99%-99.9999%），但是半導(dǎo)體用單晶硅片在9N（99.9999999%）-11N（99.999999999%）左右，純度要求最低是光伏單晶硅片的1000 倍。在外觀方面，半導(dǎo)體用硅片在表面的平整度，光滑度和潔凈程度要比光伏用硅片的要求高。

總結(jié)來說，砂子到硅片需要經(jīng)過熔煉、切片、研磨、蝕刻、拋光等過程，最終形成一片片的晶圓（所謂晶圓，就是圓形的高純度硅片）。

好了，此時(shí)你得到了一片片處理好的高純度硅片，接下來我們就需要我們需要在晶圓上雕刻電路，形成能用的芯片。在下面的工藝流程中，大致可以分為前端工藝、后端工藝和測(cè)封。

制造第一階段：提煉硅錠

沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的沙子(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)。

硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級(jí)，下同。通過多步凈化得到可用于半導(dǎo)體制造質(zhì)量的硅，學(xué)名電子級(jí)硅(EGS)，平均每一百萬個(gè)硅原子中最多只有一個(gè)雜質(zhì)原子。此圖展示了是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠(Ingot)。

100千克，硅純度99.9999％。

制造第二階段：硅錠切割

硅錠切割：橫向切割成圓形的單個(gè)硅片，也就是我們常說的晶圓(Wafer)。

45nm HKMG(高K金屬柵極)。

制造第三階段：光刻

光刻膠(Photo Resist)：圖中藍(lán)色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)過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：光刻膠層隨后透過掩模(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。一般來說，在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。

光刻：由此進(jìn)入50-200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。現(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3000萬個(gè)。

制造第四階段：光刻膠的使命

溶解光刻膠：光刻過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。

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

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。

制造第五階段：離子注入

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保護(hù)不會(huì)離子注入的那部分材料。

離子注入(Ion Implantation)：在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的、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)過電場(chǎng)加速后，注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時(shí)。

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。

制造第六階段：電鍍晶圓

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。

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(陽極)走向負(fù)極(陰極)。

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。

拋光：將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。

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)，形如未來派的多層高速公路系統(tǒng)。

制造第七階段：晶圓測(cè)試

晶圓測(cè)試：內(nèi)核級(jí)別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測(cè)試，使用參考電路圖案和每一塊芯片進(jìn)行對(duì)比。