揭秘半導(dǎo)體制造全流程(上篇)
發(fā)布時間:2021-08-04 來源:泛林半導(dǎo)體設(shè)備技術(shù) 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】當(dāng)聽到“半導(dǎo)體”這個詞時,你會想到什么?它聽起來復(fù)雜且遙遠,但其實已經(jīng)滲透到我們生活的各個方面:從智能手機、筆記本電腦、信用卡到地鐵,我們?nèi)粘I钏蕾嚨母鞣N物品都用到了半導(dǎo)體。
每個半導(dǎo)體產(chǎn)品的制造都需要數(shù)百個工藝,泛林集團將整個制造過程分為八個步驟:晶圓加工-氧化-光刻-刻蝕-薄膜沉積-互連-測試-封裝。
為幫助大家了解和認識半導(dǎo)體及相關(guān)工藝,我們將以三期微信推送,為大家逐一介紹上述每個步驟。
第一步 晶圓加工
所有半導(dǎo)體工藝都始于一粒沙子!因為沙子所含的硅是生產(chǎn)晶圓所需要的原材料。晶圓是將硅(Si)或砷化鎵(GaAs)制成的單晶柱體切割形成的圓薄片。要提取高純度的硅材料需要用到硅砂,一種二氧化硅含量高達95%的特殊材料,也是制作晶圓的主要原材料。晶圓加工就是制作獲取上述晶圓的過程。
① 鑄錠
首先需將沙子加熱,分離其中的一氧化碳和硅,并不斷重復(fù)該過程直至獲得超高純度的電子級硅(EG-Si)。高純硅熔化成液體,進而再凝固成單晶固體形式,稱為“錠”,這就是半導(dǎo)體制造的第一步。硅錠(硅柱)的制作精度要求很高,達到納米級,其廣泛應(yīng)用的制造方法是提拉法。
② 錠切割
前一個步驟完成后,需要用金剛石鋸切掉鑄錠的兩端,再將其切割成一定厚度的薄片。錠薄片直徑?jīng)Q定了晶圓的尺寸,更大更薄的晶圓能被分割成更多的可用單元,有助于降低生產(chǎn)成本。切割硅錠后需在薄片上加入“平坦區(qū)”或“凹痕”標記,方便在后續(xù)步驟中以其為標準設(shè)置加工方向。
③ 晶圓表面拋光
通過上述切割過程獲得的薄片被稱為“裸片”,即未經(jīng)加工的“原料晶圓”。裸片的表面凹凸不平,無法直接在上面印制電路圖形。因此,需要先通過研磨和化學(xué)刻蝕工藝去除表面瑕疵,然后通過拋光形成光潔的表面,再通過清洗去除殘留污染物,即可獲得表面整潔的成品晶圓。
第二步 氧化
氧化過程的作用是在晶圓表面形成保護膜。它可以保護晶圓不受化學(xué)雜質(zhì)影響、避免漏電流進入電路、預(yù)防離子植入過程中的擴散以及防止晶圓在刻蝕時滑脫。
氧化過程的第一步是去除雜質(zhì)和污染物,需要通過四步去除有機物、金屬等雜質(zhì)及蒸發(fā)殘留的水分。清潔完成后就可以將晶圓置于800至1200攝氏度的高溫環(huán)境下,通過氧氣或蒸氣在晶圓表面的流動形成二氧化硅(即“氧化物”)層。氧氣擴散通過氧化層與硅反應(yīng)形成不同厚度的氧化層,可以在氧化完成后測量它的厚度。
干法氧化和濕法氧化
根據(jù)氧化反應(yīng)中氧化劑的不同,熱氧化過程可分為干法氧化和濕法氧化,前者使用純氧產(chǎn)生二氧化硅層,速度慢但氧化層薄而致密,后者需同時使用氧氣和高溶解度的水蒸氣,其特點是生長速度快但保護層相對較厚且密度較低。
除氧化劑以外,還有其他變量會影響到二氧化硅層的厚度。首先,晶圓結(jié)構(gòu)及其表面缺陷和內(nèi)部摻雜濃度都會影響氧化層的生成速率。此外,氧化設(shè)備產(chǎn)生的壓力和溫度越高,氧化層的生成就越快。在氧化過程,還需要根據(jù)單元中晶圓的位置而使用假片,以保護晶圓并減小氧化度的差異。
第三步 光刻
光刻是通過光線將電路圖案“印刷”到晶圓上,我們可以將其理解為在晶圓表面繪制半導(dǎo)體制造所需的平面圖。電路圖案的精細度越高,成品芯片的集成度就越高,必須通過先進的光刻技術(shù)才能實現(xiàn)。具體來說,光刻可分為涂覆光刻膠、曝光和顯影三個步驟。
① 涂覆光刻膠
在晶圓上繪制電路的第一步是在氧化層上涂覆光刻膠。光刻膠通過改變化學(xué)性質(zhì)的方式讓晶圓成為“相紙”。晶圓表面的光刻膠層越薄,涂覆越均勻,可以印刷的圖形就越精細。這個步驟可以采用“旋涂”方法。
根據(jù)光(紫外線)反應(yīng)性的區(qū)別,光刻膠可分為兩種:正膠和負膠,前者在受光后會分解并消失,從而留下未受光區(qū)域的圖形,而后者在受光后會聚合并讓受光部分的圖形顯現(xiàn)出來。
② 曝光
在晶圓上覆蓋光刻膠薄膜后,就可以通過控制光線照射來完成電路印刷,這個過程被稱為“曝光”。我們可以通過曝光設(shè)備來選擇性地通過光線,當(dāng)光線穿過包含電路圖案的掩膜時,就能將電路印制到下方涂有光刻膠薄膜的晶圓上。
在曝光過程中,印刷圖案越精細,最終的芯片就能夠容納更多元件,這有助于提高生產(chǎn)效率并降低單個元件的成本。在這個領(lǐng)域,目前備受矚目的新技術(shù)是EUV光刻。去年2月,泛林集團與戰(zhàn)略合作伙伴ASML和imec共同研發(fā)出了一種全新的干膜光刻膠技術(shù)。該技術(shù)能通過提高分辨率(微調(diào)電路寬度的關(guān)鍵要素)大幅提升EUV光刻曝光工藝的生產(chǎn)率和良率。
③ 顯影
曝光之后的步驟是在晶圓上噴涂顯影劑,目的是去除圖形未覆蓋區(qū)域的光刻膠,從而讓印刷好的電路圖案顯現(xiàn)出來。顯影完成后需要通過各種測量設(shè)備和光學(xué)顯微鏡進行檢查,確保電路圖繪制的質(zhì)量。
以上是對晶圓加工、氧化和光刻工藝的簡要介紹,下一期,我們將為大家介紹半導(dǎo)體制造中兩大重要步驟——刻蝕和薄膜沉積,敬請期待!
來源:泛林半導(dǎo)體設(shè)備技術(shù)
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