芯片制造的10大關(guān)鍵工藝

來源：機(jī)械前沿

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芯片的制造包含數(shù)百個(gè)步驟，從設(shè)計(jì)到量產(chǎn)可能需要四個(gè)月的時(shí)間。在晶圓廠的無塵室里，珍貴的晶圓片通過機(jī)械設(shè)備不斷傳送，整個(gè)過程中，空氣質(zhì)量和溫度都受到嚴(yán)格控制。

制造芯片需要在晶圓片上不斷累加圖案，這些圖案縱向連接，可達(dá)100多層。

芯片制造的關(guān)鍵工藝（10大步驟）

沉積

制造芯片的第一步，通常是將材料薄膜沉積到晶圓上。材料可以是導(dǎo)體、絕緣體或半導(dǎo)體。

光刻膠涂覆

進(jìn)行光刻前，首先要在晶圓上涂覆光敏材料“光刻膠”或“光阻”，然后將晶圓放入光刻機(jī)。

曝光

在掩模版上制作需要印刷的圖案藍(lán)圖。晶圓放入光刻機(jī)后，光束會(huì)通過掩模版投射到晶圓上。光刻機(jī)內(nèi)的光學(xué)元件將圖案縮小并聚焦到光刻膠涂層上。在光束的照射下，光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，光罩上的圖案由此印刻到光刻膠涂層。

計(jì)算光刻

光刻期間產(chǎn)生的物理、化學(xué)效應(yīng)可能造成圖案形變，因此需要事先對(duì)掩模版上的圖案進(jìn)行調(diào)整，確保最終光刻圖案的準(zhǔn)確。ASML將現(xiàn)有光刻數(shù)據(jù)及圓晶測(cè)試數(shù)據(jù)整合，制作算法模型，精確調(diào)整圖案。

烘烤與顯影

晶圓離開光刻機(jī)后，要進(jìn)行烘烤及顯影，使光刻的圖案永久固定。洗去多余光刻膠，部分涂層留出空白部分。

刻蝕

顯影完成后，使用氣體等材料去除多余的空白部分，形成3D電路圖案。

計(jì)量和檢驗(yàn)

芯片生產(chǎn)過程中，始終對(duì)晶圓進(jìn)行計(jì)量和檢驗(yàn)，確保沒有誤差。檢測(cè)結(jié)果反饋至光刻系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化、調(diào)整設(shè)備。

離子注入

在去除剩余的光刻膠之前，可以用正離子或負(fù)離子轟擊晶圓，對(duì)部分圖案的半導(dǎo)體特性進(jìn)行調(diào)整。

視需要重復(fù)制程步驟

從薄膜沉積到去除光刻膠，整個(gè)流程為晶圓片覆蓋上一層圖案。而要在晶圓片上形成集成電路，完成芯片制作，這一流程需要不斷重復(fù)，可多達(dá)100次。

封裝芯片

最后一步，切割晶圓，獲得單個(gè)芯片，封裝在保護(hù)殼中。這樣，成品芯片就可以用來生產(chǎn)電視、平板電腦或者其他數(shù)字設(shè)備了！

迷你摩天大樓

正如上文提到的“視需要重復(fù)制程步驟”，現(xiàn)代芯片的結(jié)構(gòu)可多達(dá)100層，需要以納米級(jí)的精度相互疊加，這精度又稱為“套刻精度”。芯片上光刻的各層圖案大小不一，這意味著，光刻各層圖案需要用到不同設(shè)備。ASML的DUV深紫外線光刻機(jī)有數(shù)種不同的機(jī)種，適合最小圖案的關(guān)鍵性光刻需求以及普通圖案的正常光刻。

多干凈才干凈？

要知道，無論灰塵或異物如何微小，一旦落到晶圓上，都會(huì)損壞芯片。何況現(xiàn)代芯片有些需要經(jīng)歷幾十甚至上百層的制程，如何保證芯片生產(chǎn)的良率，晶圓廠的清潔度至關(guān)重要。

無塵室到底有多潔凈？

比我們?nèi)粘Ｉ畹目臻g要干凈10,000倍左右！大多數(shù)芯片制造商的 “ISO 1級(jí)”無塵室都能做到幾乎“零粉塵”，具體來說，在每立方米空氣中，100到200納米的顆粒不超過10個(gè)，且沒有大于200納米的顆粒。相比之下，一家干凈的現(xiàn)代醫(yī)院里，每立方米空氣中含有粉塵顆粒約10,000個(gè)，這差距可不是一點(diǎn)點(diǎn)。

無塵室內(nèi)的空氣不斷過濾、循環(huán)。員工需要穿著特殊的工作服（又稱“兔子服”），維持零粉塵的工作環(huán)境。

ASML的光刻機(jī)工廠位于荷蘭菲爾德霍芬，ASML的設(shè)備也都產(chǎn)自無塵室。

各類芯片制造模式

IDMs是指同時(shí)設(shè)計(jì)并制造芯片，代表企業(yè)包括英特爾和三星。Foundries則是根據(jù)合同為其他公司制造芯片，代表企業(yè)包括臺(tái)積電、格芯和聯(lián)電。而Fabless自身不設(shè)晶圓廠，如高通、英偉達(dá)和超微半導(dǎo)體。他們專注芯片設(shè)計(jì)，不涉及生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)和維護(hù)，從而避免高昂的成本。這些公司可能將生產(chǎn)外包給代工廠。

芯片是如何制造出來的，最后我們一起來聽聽Scott Middlebrooks的解說。

來源：ASML