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科普贴:芯片制造究竟有多难?

日期: 2020-08-20
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由于美国的制裁,华为的麒麟芯片可能成为绝唱。一直以来,国内主攻的是芯片设计,而非芯片制造。芯片制造工艺极其复杂,要求极高,是国内的一大弱项。那,芯片制造究竟有多难呢?

 

芯片的制造,可以大致分为以下几个阶段:原料制作、单晶生长和晶圆的制造、集成电路晶圆的生产、集成电路的封装。

 

一、材料准备

 

所有制备技术都是以单晶硅(通常为圆柱体)为起点,切割成硅晶圆。如图,业界常用英寸表示晶圆大小(1寸约为25mm),我们经常听到的8寸代工厂场、12寸代工厂场等所指的都是使用的硅晶圆材料的直径。

 

科普贴:芯片制造究竟有多难? 

 

二、氧化

 

主要是在硅晶圆的表面形成二氧化硅(SiO2)的工艺。氧化层为介质,不导电,可作为导电层之间的隔离层氧化层可以保护其覆盖的材料免受污染。

 

三、扩散

 

杂质原子由材料表面向材料内部运动的过程。通常发生在高温(800~1400度)。按半导体表面的杂质浓度分为两种基本扩散机制:第一种机制假定整个扩散过程中表面杂质源N0无穷多,此时杂质的分布是扩散时间的函数,这种机制称为无穷源扩散。第二种机制假定初始条件下材料表面的杂质源是有限的,在t=0时的值为N0。随着时间的增加,表面杂质的浓度将减少。NB表示半导体扩散前的杂质浓度。

 

四、离子注入

 

离子注入时特殊掺杂物(杂质)的离子在电场加速至很高的速度后注入到半导体材料中的工艺步骤。离子注入后需要退火用以激活杂质离子和修复离子注入过程造成的半导体晶格的物理破坏。

 

五、沉积

 

就是把不同材料的薄膜层沉积到硅晶圆上。包括蒸发沉积、溅射沉积、化学气相沉积、原子层沉积等(可见我之前文章:技术帖:薄膜沉积技术及原理的详细介绍)。主要用于介质层(氮化硅和氧化硅等)以及金属线(多晶硅、铜线等)的制备。

 

六、光刻与刻蚀

 

光刻的基本原理就是,部分的光刻胶首先会暴露在透过掩模版的紫外光(Ultravioletray,UV)一定的时间,在后续的显影过程中被紫外光照射过的光刻胶会溶解扩散至显影液中,掩模版上的图形也会因为这些步骤而被转移到晶圆或衬底的最顶层涂有光刻胶的层上。对于显影结束后未经过曝光的被光刻胶覆盖的部分可以作为阻挡层阻止进一步的后期工艺处理(如后期的刻蚀),由此实现了将掩模版上的图形转移至晶圆顶层或衬底上的过程。

 

七、晶圆测试

 

    在晶圆制造完成之后,一非常重要的步骤是测试。在测试过程中,每一个芯片的电性能力和电路功能都被检测到。晶圆测试也称为芯片测试。

 

    测试是可以实现以下三个目标。第一,在晶圆送到封装工厂之前,鉴别出合格的芯片;第二,对器件/电路的电性参数进行特性评估。工程师们需要监测参数的分布状态来保持工艺的质量水平;第三,芯片的合格品与不良品的核算,会给晶圆生产人员提供全面的业绩反馈。

 

八、集成电路的封装

 

    在封装过程中,晶圆被分成许多小芯片,合格的芯片被封装在一个保护壳内。也有一些种类的芯片无需封装而直接合成到电子系统中。

 

科普贴:芯片制造究竟有多难? 


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