半導(dǎo)體制造工藝最強(qiáng)科普

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，制造工工程被稱為工藝（Process），理由是什么？雖然沒有明確的答案，但與其說加工尺寸微?。壳笆莕m制程），不如說制造過程無法用肉眼看到所致。

前道工序

半導(dǎo)體工藝包含前道工序和后道工序。

前道工序主要是對硅晶圓進(jìn)行加工，這種加工不是將零件添加到皮帶輸送機(jī)上，流動(dòng)清洗、離子注入和熱處理、光刻、刻蝕、成膜、平坦化（CMP）這6個(gè)工藝會(huì)反復(fù)多次進(jìn)行，也叫“循環(huán)工藝”。

LSI芯片并不是一個(gè)個(gè)在硅片上制造，而是類似印鈔，在一張大紙（硅片）上印刷很多張，然后剪裁出來。前道工序一大特點(diǎn)就是生產(chǎn)線的清潔度要求非常嚴(yán)格，通常需要至少1級①以上的清潔度。

①1級：Class是潔凈度的標(biāo)準(zhǔn)。用1立方英尺（約30平方厘米）的空氣中存在多少顆粒表示。Class 1指存在1個(gè)個(gè)顆粒。

提問

1.前道工序fab的全貌是怎樣的？

2.什么叫做Bay方式？

清洗和干燥濕法工藝

在前道工序中，晶圓在半導(dǎo)體工藝各種設(shè)備傳送期間，必須進(jìn)行清洗。晶圓在每次的工藝處理過程中都會(huì)受到污染，例如空氣和部品材質(zhì)的微細(xì)顆粒和雜質(zhì)、設(shè)施、設(shè)備和電源線的電磁輻射、晶圓加工測量時(shí)光束造成的損壞、工藝和晶圓傳送時(shí)的靜電等。從清洗設(shè)備出來后，必須保持干燥狀態(tài)，稱為“干進(jìn)干出”（Dry-In-Dry-Out），因?yàn)榫A如果處于含水的狀態(tài)，晶圓表面就會(huì)迅速氧化，肉眼看不見的水滴會(huì)形成水漬影響后續(xù)工藝。

晶圓上的顆粒和污染可以通過化學(xué)或物理兩種方法去除。物理方法包括用刷子機(jī)械去除污染或用超聲波震動(dòng)去除污染；化學(xué)方法通過化學(xué)反應(yīng)直接溶解污染和顆粒，或者把附著了顆粒或污染的晶圓表面溶解一層“薄皮”。

而干燥方面，傳統(tǒng)上使用的方法是旋轉(zhuǎn)干燥（Spin Dry）和IPA（異丙醇）干燥。前者將晶圓放入一個(gè)特殊的盒子中，并高速旋轉(zhuǎn)以甩掉水分，該方法設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低，吞吐量②高，但需要靈活性高、能產(chǎn)生靜電的零部件。后者是用揮發(fā)性IPA蒸汽替換晶圓表面的水分，使之干燥，好處是有利于圖形的干燥，但需要使用易燃化學(xué)品，且容易留下有機(jī)物、殘留物。除此之外，還有一種干燥方法叫“馬蘭戈尼干燥”，即將晶圓從順?biāo)辛⒓此腿隝PA蒸汽中干燥，如此可以減少IPA的用量，但吞吐量較小，有機(jī)物有殘留。

②吞吐量（Throughput）：單位時(shí)間內(nèi)可以處理的晶圓數(shù)量。

提問

1.清洗晶圓的方法有哪些？

2.什么叫濕法工藝和干法清洗？

離子注入和熱處理工藝

硅半導(dǎo)體不能只在本征區(qū)或同類型的雜質(zhì)區(qū)中形成晶體管并工作，因?yàn)楣枋菃尉?，所以硅原子是有?guī)律排列的。如果只有硅，電流很難流動(dòng)，基本上是絕緣體，為此，必須在硅襯底中形成n型區(qū)域和p型區(qū)域，離子注入技術(shù)扮演了這個(gè)角色。

離子注入就是將雜質(zhì)的原子進(jìn)行離子化，再提供足夠的加速能量將其注入硅晶體中。也就是在硅中注入雜質(zhì)，使電流更容易流動(dòng)，打入的雜質(zhì)原子與硅晶體的晶格相替換，從參雜的雜質(zhì)原子和硅原子交換成為n型雜質(zhì)，或者成為p型雜質(zhì)。

這些雜質(zhì)原子與硅形成共價(jià)鍵，比硅多一個(gè)電子的雜質(zhì)為n型,如P（磷）、As（砷）等，少一個(gè)電子的雜質(zhì)為p型，如B（硼）。

離子注入的區(qū)域和硅的厚度相比是非常薄的，自身也只有1-2微米，晶格恢復(fù)處理也是在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行的。實(shí)際的離子注入是通過光刻掩膜進(jìn)行的，其形成和去除要使用光刻工藝和灰化工藝。

由于離子注入僅注入單晶硅中，因此需要進(jìn)行熱處理，以便進(jìn)行晶格恢復(fù)。所以離子注入和晶格恢復(fù)的熱處理是兩個(gè)一組的工藝，類似我們剛剛提到的清洗和干燥工藝一樣。

注入離子后的硅晶圓晶格會(huì)受到注入離子的損傷，硅晶格離子的沖擊而變得混亂，也可能會(huì)出現(xiàn)注入的離子并未替換原有的硅，所以硅原子和雜質(zhì)原子需要在熱的作用下，在單晶硅內(nèi)移動(dòng)，并落在硅的晶格點(diǎn)上。上述過程需要使硅晶圓溫度上升，被稱為“熱處理”。

提問

1.離子注入機(jī)和離子束掃描是什么樣子的？有哪些離子注入工具？

2.熱處理工藝用什么設(shè)備？

光刻工藝

光刻工藝本身不能再LSI留下任何形狀，如果從繪畫的角度來說，光刻就像素描或者草稿。光刻的構(gòu)成要素包括曝光裝置、感光材料的光刻膠、有版圖的掩模版、涂膠、顯影等工藝。

我們可以把光刻理解為是照相，光刻膠是相紙，掩膜是被照的物體，例如一片葉子，光源就是日光。具體流程大概是，首先在準(zhǔn)備刻蝕的薄膜上面涂上光刻膠，但晶圓表面親水性高，有時(shí)光刻膠無法很好的涂抹，需要用到一種名為HMDS（六甲基二硅氮烷）的有機(jī)溶劑使晶圓表面具有疏水性。涂上光刻膠后，需要在70℃-90℃溫度下進(jìn)行前烘處理（Pre-Bake，也稱“軟烘”）來去除溶劑。

接下來曝光裝置需要通過掩模版來繪制圖形，其實(shí)光刻就是將掩模版上的圖像精確地轉(zhuǎn)移（照）到光刻膠（相紙）上。掩模版是在透光的石英基板上用鉻（Cr）作為遮光材料，形成一定的圖形。

接下來進(jìn)行“顯影”步驟，這個(gè)時(shí)候又要提到光刻膠。光刻膠就像老式相紙的正片、底片一樣，它也分“負(fù)性光刻膠”和“正性光刻膠”。負(fù)性光刻膠在光照射到的地方會(huì)留下圖形，而正性光刻膠在光照射不到的地方會(huì)留下圖形。由此可推理，如果是負(fù)性光刻膠，顯影就是去除沒有被光照到的地方；如果是正性光刻膠，顯影就是去除被光照射到的地方。

接下來，為了去除顯影液等多余液體，增強(qiáng)剩余光刻膠與刻蝕薄膜的附著性，需要在100℃的溫度下進(jìn)行后烘（Post-Bake，也稱硬烘）。

提問

1.光刻工藝中怎樣將圖像“沖印”到光刻膠上？曝光技術(shù)這些年來發(fā)生了哪些改變？

2.DUV和EUV的區(qū)別是什么？

3.在接近曝光分辨率的極限下，怎樣進(jìn)一步提高光刻的精細(xì)度？

刻蝕工藝

刻蝕是利用光刻工藝所在刻蝕薄膜（刻蝕對象）上形成光刻圖形，此時(shí)光刻膠作為刻蝕的掩蔽層，所以有時(shí)候也稱其為光刻膠掩蔽膜。接下來，放入刻蝕設(shè)備（本小節(jié)主要講干法刻蝕設(shè)備），用光刻膠作為掩膜進(jìn)行刻蝕。

刻蝕氣體在等離子體③中分解電離，形成離子和自由基等刻蝕類物質(zhì)，稱為“Enchant④”。Enchant達(dá)到晶圓表面開始刻蝕，想要刻蝕出深度形狀，低壓情況下更有利，但也不是越低越好，太低的壓力放電會(huì)不順利，等離子體難以產(chǎn)生。

到達(dá)晶圓表面的Enchant與被刻蝕物發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)行刻蝕反應(yīng)?？涛g反應(yīng)的副產(chǎn)物必須迅速脫離并排氣，否則副產(chǎn)物會(huì)附著在表面，刻蝕反應(yīng)無法進(jìn)行。

刻蝕完成后，需要采用“灰化⑤”來去除刻蝕對象上面的光刻膠。

③等離子體：等離子體是氣體、液體、固體之外的第四種物質(zhì)狀態(tài)，大致來說就是電離氣體，可以認(rèn)為其整體電荷為中性。在真空中導(dǎo)入想要的氣體，經(jīng)過放電和增壓，產(chǎn)生的電子與氣體分子碰撞，生產(chǎn)離子和中性活性的自由基，不斷重復(fù)這個(gè)過程就會(huì)產(chǎn)生等離子體。

④Enchant：等離子體中產(chǎn)生的一堆進(jìn)行刻蝕的物質(zhì)，包括電子、離子和自由基。

⑤灰化（Ashing）：把有機(jī)物的光刻膠用氧氣燃燒成“灰”。

提問

1.刻蝕設(shè)備的運(yùn)作機(jī)理是怎樣的？

2.目前干法刻蝕面臨著怎樣的挑戰(zhàn)？

3.刻蝕出現(xiàn)的溶解偏差怎樣減小？

成膜工藝

LSI工藝本質(zhì)上是在一個(gè)硅晶圓上制造雜質(zhì)區(qū)域、布線和絕緣膜的工藝過程。LSI基本上由半導(dǎo)體層（包括硅晶圓）、用于供電的金屬布線層以及用于電器隔離的絕緣層（也稱介質(zhì)層）組成。

其中，半導(dǎo)體層是晶體管中最重要的區(qū)域，晶體管是半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。金屬布線將這些器件連接起來，絕緣層把導(dǎo)線和元件電氣隔離開來。其中就涉及到各種“膜”，比如電阻膜、絕緣膜、Cu阻隔金屬膜、Al阻隔金屬膜、STI埋層等。

提問

1.成膜設(shè)備的運(yùn)作方式是怎樣的？

2.成膜環(huán)節(jié)中的CVD、濺射工藝、電鍍工藝、涂布工藝、High-k柵極堆疊工藝、Cu/Low-k工藝都是怎么一回事？

平坦化（CMP）工藝

CMP在一開始并不是前道工序的必要步驟，隨著系統(tǒng)級LSI和先進(jìn)CMOS數(shù)字電路多層布線化的發(fā)展需求，使得CMP這一讓硅片表面變平滑的技術(shù)不可或缺。

先進(jìn)LSI通常會(huì)是把已經(jīng)完成電路驗(yàn)證的IP進(jìn)行整合，完成邏輯LSI的設(shè)計(jì)，所以必須要用布線連接各種電路模塊。這樣的布線方法必定是多層次結(jié)構(gòu)，需要多層布線，為了完成3層及以上的多層布線，CMP是非常有必要的。

提問

1.CMP設(shè)備是怎樣的？如何工作的？

2.CMP的平坦化機(jī)理是什么？

3.雙大馬士革的流程是什么？

后道工序

后道工序是將晶圓上做好的LSI芯片單獨(dú)切割、封裝的組裝加工技術(shù)。

即使前道工序做得非常認(rèn)真，最終晶圓上的芯片還是會(huì)有不良品，需要經(jīng)過晶圓測試來去除。晶圓測試使用稱為探針臺（Prober）的設(shè)備來完成，設(shè)備上裝有探針卡，探針卡上有很多導(dǎo)電的探針。

將通過檢測的晶圓開始進(jìn)行封裝。在可以滿足機(jī)械強(qiáng)度和晶圓翹曲度的要求下，我們盡量讓晶圓更薄一些，因此封裝晶圓不需要保持原來的厚度，要從背面削減到規(guī)定厚度，這就是減?。˙ack Grind）。

晶圓是圓的，而芯片是方的，所以需要對晶圓進(jìn)行劃片（Dicing）。減薄的晶圓要粘貼到劃片膠帶上，避免劃片后的芯片到處散落，可以原封不動(dòng)地帶入下一道程序。

芯片切割完成后稱為Die。貼片（Die Bonding）是在切出的芯片中挑選合格品貼在封裝底座（Die Pad）上，然后用粘合劑固定到封裝中。固定好后的LSI要進(jìn)行引線鍵合（Wire Bonding），也就是用引線將芯片I/O端口和封裝引腳連接起來。曾幾何時(shí)，引線鍵合是一根一根由人工完成，所以后道工序是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，但現(xiàn)在可以用自動(dòng)引線鍵合的設(shè)備，每秒就可以鍵合5-10根引線，效率大大提升。

完成LSI芯片的貼片和引線鍵合后，接下來就要為封裝進(jìn)行注塑（Molding）。如果芯片是湯圓餡，注塑就是湯圓皮。講完成了引線鍵合的芯片和引線框架一起傳到封裝用的下部模具上面，再蓋好上部模具，形象地說，是把芯片放置到上下模具形成的空腔（Cavity）中。再將模具加熱到約160℃-180℃，注入熱固性環(huán)氧樹脂，等待溫度下降，環(huán)氧樹脂固化后，注塑就完成了。

完成LSI芯片注塑后，為了把產(chǎn)品出貨銷售，還需要給產(chǎn)品印上產(chǎn)品名稱和批次名稱，也就是要打標(biāo)（Marking），還要對LSI外引線的形狀進(jìn)行修整，稱為引線成形（Lead Forming）。完成這兩項(xiàng)之后，就要進(jìn)行最終產(chǎn)品檢驗(yàn)了，例如低高溫測試、負(fù)載條件測試，根據(jù)半導(dǎo)體產(chǎn)品不同，檢查方法也不盡相同。

審核編輯：湯梓紅