芯片制造的7个前道工艺

本文简单介绍了芯片制造的7个前道工艺。

在探索现代科技的微观奇迹中，芯片制造无疑扮演着核心角色，它不仅是信息技术飞速发展的基石，也是连接数字世界与现实生活的桥梁。本文将带您深入芯片制造的前道工艺。这一精密而复杂的流程主要包括以下几个工艺过程：晶圆制造工艺、热工艺、光刻工艺、刻蚀工艺、离子注入工艺、薄膜淀积工艺、化学机械抛光工艺。

晶圆制造工艺

晶圆制造工艺包括单晶生长、晶片切割和晶圆清洗。 半导体晶圆源自对大体积半导体基材的精确切割，这些基材原本多为具有多晶形态且未经掺杂的本征物质。通过特定的工艺，这些多晶块被转化为单晶结构，并经过精确的方向定位及适量的掺杂处理。称为单晶生长。常用的单晶生长方法主要有直拉法和悬浮区熔法两种。此过程中主要用到单晶生长设备。 当结晶锭冷却后，采用适宜工艺对晶体切割产生晶圆片，针对晶圆片表面的损伤和沾污，常采用刻蚀的方式进行处理。常规磨削工艺完成后，硅片表层会遗留一层很薄的表面缺陷，于是需要进一步的抛光处理。目前最广泛的潘光技术是化学机械抛光技术（CMP），此工艺能有效确保硅片表面实现高度平滑，达到光洁无瑕、宛如镜面的理想状态。 最后经过清洗、检查及包装后形成用于集成电路设计的晶圆衬底。该过程是一个多重工艺过程，使用到的设备具体包括内圆切割设备和线切割设备、湿法清洗设备、化学机械抛光设备等。晶圆和芯片的加工流程如图所示。

热工艺

热工艺包括热氧化、扩散和退火。 热氧化工艺是在硅片表层通过热过程形成一层均匀的绝缘或掩蔽介质薄膜。这一过程包含两种主要方法：一是高温干氧氧化，即在高温条件下引入纯净的干燥氧气，促使硅片表面缓慢地生长出结构紧密的二氧化硅薄膜，此薄膜具有较低的固定电荷密度；二是高温湿氧氧化，该方法利用氢气与氧气反应生成的水蒸气对硅片进行氧化，其氧化速度相较于干氧法显著提升，适用于生成较厚的二氧化硅层，但所得氧化层的致密度稍逊于干氧氧化所得。 扩散是物质在分子热运动的驱动下，由高浓度向低浓度流动的一种基本物理现象。扩散掺杂工艺在早期的集成电路工业中占主导地位。通过在硅表面引入高浓度的掺杂剂，通过扩散作用改变硅等半导体衬底材料的导电性。在IC工业的早期，扩散被广泛用于半导体掺杂。随着掺杂技术的发展，在高级集成电路晶圆厂中，很少采用扩散工艺进行掺杂。氧化工艺与扩散工艺采用的设备基本一致，一般是立式炉、卧式炉和快速热处理炉。

光刻工艺

光刻工艺是集成电路芯片制造过程中至关重要且应用广泛的环节，其核心功能在于将掩模版上的设计图案精确转移到衬底表面的光刻胶层，从而形成预设的电路图案。 依据曝光技术的差异，光刻可被细分为接触式、邻近式及投影式三类；而依据对准操作所涉及的面数，它又能被区分为单面与双面对准光刻；再者，依据光刻胶层厚度的不同，光刻技术还能进一步分为薄胶与厚胶工艺。 一个完整的光刻流程通常包含预处理、涂覆光刻胶（均匀涂覆）、预烘烤、精确对准与曝光、显影处理以及后烘烤等一系列步骤。这些步骤可以根据实际需求进行灵活调整。 光刻机作为大规模集成电路生产的基石，其重要性不言而喻，是支撑光学与电子工业持续发展的核心装备。光刻工艺流程如图所示。

刻蚀工艺

刻蚀技术是用于精确去除未被抗蚀材料遮盖的部分薄膜区域，以便在薄膜上精确复制抗蚀层上的图案。 在集成电路制造流程中，首先通过掩模定位、曝光及显影等步骤，在抗蚀层上形成所需图案，或直接使用电子束在抗蚀层上绘制图案。接着，将这些图案精确转移至其下方的介质薄膜（例如二氧化硅、多晶硅）或金属薄膜（例如铝及其合金）上，构建所需的薄层构造。 刻蚀技术主要分为干法刻蚀与湿法刻蚀两类。干法刻蚀主要依赖反应气体与等离子体的相互作用来完成刻蚀；而湿法刻蚀则是利用化学试剂与被刻蚀材料间的化学反应来达成目的。目前，鉴于其高效性，干法刻蚀装置在集成电路制造中得到了广泛应用。

离子注入工艺

离子注入技术是目前广泛应用的掺杂手段，将高能离子束渗透至固体材料表层，从而改变其物理和化学特性。 在半导体材料中注入特定的杂质离子（例如，向硅中植入硼、磷或砷等元素），能有效调节其表面的电导率或构建PN结。与传统的扩散法相比，离子植入技术具有更低的操作温度、便于形成浅结、杂质分布易于大面积均匀化以及便于自动化操作等优势。 如今，离子注入已成为集成电路制造中不可或缺的掺杂步骤，通常由离子注入设备来完成这一工艺。离子注入结构示意图如图所示。

薄膜淀积工艺

薄膜淀积工艺主要包括物理气相淀积和化学气相淀积。 物理气相沉积(PVD)技术是在真空条件下，运用物理方法把固态或液态源物质转化为气态的原子、分子或离子形式，再借助低压气体氛围（含等离子体）的作用，让这些气态粒子在基底上沉积，以形成具备特定功能的薄膜。 PVD技术包含多种具体方法，例如真空蒸发镀膜技术、溅射镀膜技术、电弧等离子体镀膜、离子镀膜以及分子束外延技术等。时至今日，PVD技术不仅限于制备金属膜与合金膜，它还广泛应用于沉积化合物膜、陶瓷薄膜、半导体薄膜及聚合物薄膜等多种类型的材料上。典型的PVD反应系统示意图如图所示。

热蒸镀示意图 电子束蒸镀示意图 化学气相沉积(CVD)技术是将构成薄膜元素的气态或经气化后的液态反应物，连同必要的气体辅助剂，导入反应腔内，通过化学反应在基底表面生成薄膜。 这一技术在超大规模集成电路制造中占据核心地位，被广泛应用于制备诸如二氧化硅膜、氮化钛膜、非晶硅膜等多种薄膜材料。CVD技术展现出诸多优势，包括沉积温度较低、薄膜组分与厚度能精确调控、沉积速率与时间高度正相关、优异的均匀性与重复性、台阶覆盖率良好以及操作便捷。特别是其低温沉积能力和出色的台阶覆盖性，极大促进了超大规模集成电路的制造进程，使之成为集成电路生产中不可或缺的薄膜沉积手段。常用的CVD设备涵盖常压CVD系统、低压CVD装置以及等离子体辅助CVD设备等。CVD反应系统示意图如图所示。

化学机械抛光工艺

化学机械抛光(CMP)技术是集成电路制造中确保全局表面平整度的关键步骤，它能生成既光滑又无损伤和杂质污染的表面。 CMP结合了化学与机械的双重机制：首先，工件表层材料与抛光液中的化学试剂发生反应，形成一层易于剥离的软化层；随后，借助抛光液内的磨粒与抛光垫的机械摩擦作用，去除这层软化物质，暴露出新鲜的工件表面继续参与化学反应。这一过程在化学与机械效应的不断交替中，实现工件表面的精细抛光。 随着光刻技术中透镜的数值孔径越来越大导致了曝光视场聚焦深度越来越浅的问题，以及多层金属互连工艺的广泛应用，CMP技术应运而生并迅速发展，市场需求也持续增长。CMP设备集成了机械工程、流体力学、材料化学、精密制造以及先进控制软件等多学科的尖端技术，是集成电路制造设备中技术复杂度高、研发难度大的设备类别之一。