每個(gè)半導體產(chǎn)品的制造都需要數百個(gè)工藝，泛林集團將整個(gè)制造過(guò)程分為八個(gè)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(gè)步驟。

 

第一步 晶圓加工

 

所有半導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(guò)程。

 

① 鑄錠

 

 

首先需將沙子加熱，分離其中的一氧化碳和硅，并不斷重復該過(guò)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(jìn)而再凝固成單晶固體形式，稱(chēng)為“錠”，這就是半導體制造的第一步。硅錠（硅柱）的制作精度要求很高，達到納米級，其廣泛應用的制造方法是提拉法。

 

② 錠切割

 

前一個(gè)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”或“凹痕”標記，方便在后續步驟中以其為標準設置加工方向。

 

③ 晶圓表面拋光

 

通過(guò)上述切割過(guò)程獲得的薄片被稱(chēng)為“裸片”，即未經(jīng)加工的“原料晶圓”。裸片的表面凹凸不平，無(wú)法直接在上面印制電路圖形。因此，需要先通過(guò)研磨和化學(xué)刻蝕工藝去除表面瑕疵，然后通過(guò)拋光形成光潔的表面，再通過(guò)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(guò)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(jìn)入電路、預防離子植入過(guò)程中的擴散以及防止晶圓在刻蝕時(shí)滑脫。

 

 

氧化過(guò)程的第一步是去除雜質(zhì)和污染物，需要通過(guò)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(guò)氧氣或蒸氣在晶圓表面的流動(dòng)形成二氧化硅（即“氧化物”）層。氧氣擴散通過(guò)氧化層與硅反應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

 

根據氧化反應中氧化劑的不同，熱氧化過(guò)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(shí)使用氧氣和高溶解度的水蒸氣，其特點(diǎn)是生長(cháng)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(huì )影響到二氧化硅層的厚度。首先，晶圓結構及其表面缺陷和內部摻雜濃度都會(huì )影響氧化層的生成速率。此外，氧化設備產(chǎn)生的壓力和溫度越高，氧化層的生成就越快。在氧化過(guò)程，還需要根據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(guò)光線(xiàn)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(guò)先進(jìn)的光刻技術(shù)才能實(shí)現。具體來(lái)說(shuō)，光刻可分為涂覆光刻膠、曝光和顯影三個(gè)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(guò)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(gè)步驟可以采用“旋涂”方法。

 

 

根據光（紫外線(xiàn)）反應性的區別，光刻膠可分為兩種：正膠和負膠，前者在受光后會(huì )分解并消失，從而留下未受光區域的圖形，而后者在受光后會(huì )聚合并讓受光部分的圖形顯現出來(lái)。

 

② 曝光

 

 

在晶圓上覆蓋光刻膠薄膜后，就可以通過(guò)控制光線(xiàn)照射來(lái)完成電路印刷，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“曝光”。我們可以通過(guò)曝光設備來(lái)選擇性地通過(guò)光線(xiàn)，當光線(xiàn)穿過(guò)包含電路圖案的掩膜時(shí)，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(guò)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(gè)元件的成本。在這個(gè)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(guò)提高分辨率（微調電路寬度的關(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域的光刻膠，從而讓印刷好的電路圖案顯現出來(lái)。顯影完成后需要通過(guò)各種測量設備和光學(xué)顯微鏡進(jìn)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(jiǎn)要介紹，下一期，我們將為大家介紹半導體制造中兩大重要步驟——刻蝕和薄膜沉積，敬請期待！

 

來(lái)源：泛林半導體設備技術(shù)

 

 

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