芯片是怎樣“煉”成的？

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2023-02-16 06:40:28 673

芯片制造有數百道工序，制造過程分為晶圓加工、氧化、光刻、刻蝕、薄膜沉積、互連、測試和封裝八個步驟，涉及到的工廠有晶圓加工廠、Fab和封測廠。其中，電子級的晶圓加工廠在國內占比較小，能做高端邏輯芯片的工廠只有臺積電，但國內的封測廠現階段已經比較成熟。

硅晶圓的生產

為什么我們要使用硅做半導體的原材料？因為硅的儲量豐富且價格低廉，易于獲取，硅還有著優良的熱性能與機械性能；硅材料還具有易于生長成大尺寸高純度晶體的特點，現在階段，硅材料的工藝流程處在成熟的發展階段。但硅材料的物理性質（禁帶寬度、電子遷移速率、飽和速率等）限制了其在光電子和高頻、高功率器件上的應用。隨著高速信息產業的蓬勃發展，砷化鎵這種半導體新材料迅速發展，因為鎵的電子遷移率是硅的6倍多，其具有硅器件所不具有的高頻、高速和光電性能，并可在同一芯片同時處理光電信號，被公認是新一代的通信應用材料。在本文中，我們談到的的芯片原材料，仍圍繞著硅材料展開。

晶圓加工的原材料是高純度的硅，硅在自然界多以化合物形式存在，原材料加工工廠把石英沙經過冶煉去除雜質，經過物理提純和還原，把化合物的硅變成電子級的多晶硅（99.999999%的硅含量）。由于多晶硅在光學、機械、力學、熱學和電學性質方面不如單晶硅，所以要制造芯片，還需要把多晶硅變成單晶硅。展開來說，制作晶圓需要鑄錠、切割和拋光三個步驟。在晶圓制造材料中，硅片占比為35%，市場規模可達上百億美金。

? 鑄錠

鑄錠就是通過直拉法（Czochralski，CZ法）或區熔法（Floating Zone法，FZ法），把多晶硅拉成單晶硅棒的過程。具體而言，就是將電子級純度的多晶硅放在石英坩堝中加熱，得到硅溶液，把一根電子級高純度硅棒放進硅溶液后，經過引晶、收頸、放肩、轉肩、等徑生長和收尾這些專業步驟，得到一根極高純度的單晶硅棒。

鑄錠的過程

? 錠切割

由于直拉法無法獲得一個*的圓柱體，整個硅錠都會有尺寸的偏差，因此，這根生長出來的硅錠還需要修整和研磨。鑄錠完成后，需要用金剛石鋸切掉鑄錠的兩端，成為一個硅段，并經過滾磨后，得到目標尺寸；滾磨完成后，會在硅段的側面再磨出一個平面或一道溝槽，這就是之后硅片上的定位邊（flat，小于12寸）或定位槽（notch）。光刻機需要通過定位邊對硅片進行最開始的定位和校準。此外，定位邊還可用來標明硅片的類型和晶向。接著把硅段切片，目前主流的方式是使用金剛線的多線切割機。

? 倒角

這一步是通過倒角機把硅片邊緣的直角邊磨成圓弧形，這樣處理可以減少邊緣崩裂的風險。同時，圓弧狀的邊還有兩個優點：一是在光刻時，光刻膠是通過旋轉的方式涂抹在硅表面上的，圓弧形的硅片邊緣可以避免光刻膠因為離心力在邊緣處累積造成厚度不均；二是在做外延生長時，沉積物會優先堆積在直角邊，影響沉積較效果，而圓弧狀的邊可以消除邊緣沉積的現象。

倒角示意圖

? 晶圓表面拋光

切割過后的薄片被稱為“裸片”。能直接印刷電路圖形的硅片，其光滑度和平整度要控制在1nm以內，就像影院的imax大幕布，起伏波動不能超過一根頭發絲，所以裸片的表面還遠遠不能直接用來印刷電路圖形。因此，需要用化學-機械拋光法（CMP）進行反復多次地拋光，拋光的過程涉及到拋光機、拋光液、拋光墊、后CMP清洗設備、拋光終點檢測及工藝控制設備、廢物處理和檢測設備等。其中，拋光液和拋光墊占據整個CMP的80%以上價值。

晶圓表面拋光示意圖

以上步驟就是為芯片的制造提供基礎硅晶圓材料。目前全球90%以上的硅晶圓份額被日本信越化學（Shin-Etsu）、日本勝高科技（SUMCO）、臺灣環球晶圓(Global Wafer)、德國世創(Siltronic)、韓國SK Siltron（原LG Siltron）五家企業瓜分。其他的硅晶圓廠商還有法國Soitec、芬蘭Okmet、臺灣合晶(Wafer Works)、臺灣嘉晶(Episil)等；國內較為知名的硅晶圓廠商有上海新昇半導體科技有限公司、浙江金瑞泓科技股份有限公司、天津市環歐半導體材料技術有限公司、安徽易芯半導體有限公司、合晶科技股份有限公司（臺灣合晶投資）、寧夏銀和半導體科技有限公司等。

氧化

當每塊磨得比鏡子還光滑萬倍的硅片送到fab廠，就開始了它們成為芯片的旅程。在給芯片印刷電路板前，需要給它加一層保護膜，即氧化。氧化的過程會在整個芯片的制程中反復多次進行。不同的工藝、器件上做表面氧化處理的目的不同，例如需要沉積大應力薄膜、進行深刻蝕等。氧化過程的*步是去有機物、金屬等雜質及蒸發殘留的水分。清潔完成后就可以將晶圓置于數百上千度的高溫環境下，通過氧氣和蒸氣在晶圓表面的流動形成二氧化硅層。熱氧化過程可分為干法氧化和濕法氧化，前者使用純氧產生二氧化硅層，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結構略粗糙。實際生產中，一般會用“干氧氧化+濕氧氧化+干氧氧化”這樣常規三步熱氧化模式，既保證了二氧化硅表面和界面的質量，又解決了生長速率的問題。

光刻

“光刻”是制造芯片的基礎，光刻可分為涂覆光刻膠、曝光和顯影沖洗三個步驟。光刻工序需要光刻機、光掩膜和光刻膠。光掩膜是芯片的藍圖，是一張有集成電路版圖的玻璃遮光板。一塊先進制程的硅片上，需要用到數百張掩膜。光刻機就像納米級的打印機，將光掩膜上的圖形投射在硅片上，光刻膠則是能把光影化為現實的一種膠體。

荷蘭ASML的光刻機

? 涂覆

涂覆就是給硅片涂光刻膠，可以理解為：涂上了光刻膠的晶圓就像一張張“相紙”。光刻膠被從容器中取出滴布到置于涂膠機中的晶圓表面，晶圓高速旋轉，光刻膠在離心力的作用下向邊緣流動。光刻膠有正膠和負膠之分，凡是特定波長的光照過的地方，膠水可以被去除的就是正膠；如果產生了交聯反應，光照的地方堅挺，未被照過的地方能被去除的是負膠。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。涂膠過程中，要嚴格控制轉速和排風大小，以防止任何細微的氣泡產生。此外，甩到硅片邊緣的膠體一定需要切割和磨邊，盡量減少光刻膠在硅片邊緣的沉積。光刻膠在晶圓制造材料中，約占有6%的市場份額，約有20多億美金的市場，雖然光刻膠占比不大，但是卻飽含著極高的技術含量，其中日本光刻膠廠商在這個領域占據了大部分市場份額，尤其是在Arf（12寸晶圓制程）光刻膠市場，日本企業幾乎占據了全球百分之九十以上的市場份額。

涂覆示意圖

? 曝光

晶圓均勻覆蓋光刻膠薄膜后，需要烘烤以增加光刻膠粘性。在100℃左右的爐子或者鐵板上烘烤一分鐘后，光刻機就上場了。這個步驟如同相機照相一樣，相機拍攝的照片是印在底片上，而光刻則是把光掩模上的電路圖復刻到硅片上那一層薄薄的光刻膠上。光刻膠只要遇到了光，就會發生分解或交聯作用，再經過光刻機的曝光，在一張晶圓上就會形成成千上萬的溝槽，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。

在光刻機的領域，要高度的光學和電子工業基礎，因此最早的光刻機市場被日本的佳能、尼康占據，而荷蘭的ASML憑借臺積電科學家林本堅發明的“浸入式光刻技術”方案，成功將光源波長一舉從193nm縮短到132nm。隨后ASML又加入了由Intel和美國能源部牽頭組建EUV LLC前沿技術組織，至此，尼康、佳能逐漸失去了光刻機的市場，國際上技術最先進，最主流的光刻機市場被ASML牢牢占據。而分辨率在數微米以上的光刻機，則主要有德國SUSS、美國MYCRO NXQ4006、以及中國的一些品牌品牌，這些光刻機主要用在生產線和研發上。

目前備受矚目的新技術是極紫外光源（EUV）光刻技術。在這道工序中起作用的光刻機，也是整個芯片制程中最關鍵的設備。以頭ASML為例，一臺價值10億的光刻機里，包含了10萬個零部件，需要上游5000多家供應商協作；這臺光刻機中也蘊藏了眾多人類工程學的諸多*之作。例如：表面起伏不超過0.05納米Zeiss透鏡，是地球文明最接近三體水滴的得意之作；能同步對準和曝光的雙工件臺系統，是阿斯麥法成為*光刻機廠商的法寶之一；TRUMPF和ASML、Zeiss合作研發的，每秒可以把5萬個液態錫滴轟成等離子體的激光放大器，則是產生EUV的關鍵。

曝光示意圖

? 顯影沖洗

從光刻機出來后還要經歷曝光后的烘焙，簡稱后烘。這一步的目的是通過加熱讓光刻膠中的光化學反應充分完成，可以彌補曝光強度不足的問題；同時還能減少光刻膠顯影后由于助駐效應產生的一圈圈紋路。后烘可以把之前曝光的部分溶解清除，光掩膜上的圖形就浮現在了光刻膠上，這就是顯影和沖洗。之后的步驟是浸潤硅片，涂顯影液，再去除多余光刻膠，從而讓印刷好的電路圖案顯現出來。顯影完成后需要通過各種測量設備和光學顯微鏡進行檢查，確保電路圖繪制的質量。一張硅片要反復經過上千次這樣的操作，才能雕刻出數以億計的電子細節及其對應的電路連接，最終成為一枚小小芯片。

目前，整個光刻流程所必需的光刻機、光刻膠和光掩膜，國產替代程度都很低。

顯影沖洗示意圖

刻蝕

在晶圓的光刻膠上完成電路圖的光刻后，需要先摻雜。純凈的硅是不導電的，所有的電子都束縛在硅原子的周圍，摻雜也就是改變硅片的電學特性，讓這塊硅片獲得所需的電學參數。摻雜的方式主要有擴散和離子注入，兩種方法互補使用，擴散可應用于形成深結，離子注入可形成淺結。接著，就要用刻蝕工藝去除多余的氧化膜，只留下半導體電路圖。刻蝕有兩種方式：一是使用液態化學品的濕法刻蝕，讓硅片在強酸強堿的中“泡澡”；另一種是使用氣體等離子體的干法刻蝕，讓硅片在化學氣體的離子轟擊下局部“瘦身”。使用化學溶液去除氧化膜的濕法刻蝕具有成本低、刻蝕速度快和生產率高的優勢，但這種方法的精度較低，如今干法刻蝕已經被廣泛使用，以提高精細半導體電路的良率。保持全晶圓刻蝕的均勻性并提高刻蝕速度至關重要，目前最先進的干法刻蝕設備正在以更高的性能，支持最為先進的邏輯和存儲芯片的生產。

芯片的刻蝕機市場方面，美國泛林半導體市場占有率是全球*，日本的東京電子的ccp（capacitive coupled plasma 電容耦合）刻蝕機占到全球出貨量的一半，美國應用材料公司是刻蝕機多應用在*存儲器和邏輯芯片上，中國的中微公司和北方華創是后起之秀，其中，中微公司的5nm刻蝕機是國內*一家被臺積電所認可的設備廠商；北方華創的硅刻蝕技術一家突破了14納米。

蝕刻示意圖

薄膜沉積

以上步驟是給芯片“挖溝槽”，挖好了溝槽，就要添加一些材料將不同的器件分離開來。這時需要不斷地沉積一層層的薄膜并刻蝕掉多余部分，就如樂高積木一樣層層搭建。將這些厚度小于1微米的薄膜放到晶圓挖好的溝槽的過程就是“沉積”。先進的制程需要在晶圓表面反復交替堆疊多層薄導電膜和絕緣膜，再通過刻蝕工藝去除多余部分并形成三維結構。所以整個芯片的制造流程，有很多步驟都是要反復進行的。可用于沉積過程的技術包括化學氣相沉積 (CVD)、原子層沉積(ALD) 和物理氣相沉積(PVD)，采用這些技術的方法又可以分為干法和濕法沉積兩種。

原子層沉積(ALD)示意圖

在以上的制程里，主要的設備、材料的供應商大多都歐美、日韓的企業，我國這些年也涌現除了不少優秀的半導體設備廠商，雖然在市場份額上和歐美、日韓企業無法相提并論，但近幾年，國產半導體設備廠商通過自主研發，已在多個工藝制程中實現了設備的國產化替代，并進入產業化量產階段，在半導體設備的專題中，我們將會詳細討論國內外半導體設備的對比。

互連

要實現電與信號的發送與接收，還要把通過沉積構建的晶體元件連接起來。用于半導體的金屬需要滿足以下條件：低電阻率、熱化學穩定性和高可靠性，同時還要低成本，所以互連工藝主要使用鋁和銅這兩種物質。隨著半導體工藝提升和芯片尺寸的縮小，鋁電路的連接速度和電氣特性逐漸無法滿足要求，銅已經替代鋁成為互連工序的主要材料。

測試

測試的主要目標是檢驗半導體芯片的質量是否達到一定標準，從而消除不良產品，并提高芯片的可靠性。此外，經測試有缺陷的產品不會進入封裝步驟，有助于節省成本和時間。電氣參數監控(EPM)是半導體芯片測試的*步。該步驟將對半導體集成電路需要用到的每個器件（包括晶體管、電容器和二極管）進行測試，確保其電氣參數達標。EPM的主要作用是提供測得的電氣特性數據，用于提高半導體制造工藝的效率和產品性能。晶圓老化測試：將晶圓置于一定的溫度和AC/DC電壓下進行測試，由此找出其中可能在早期發生缺陷的產品，測試完成后，需要用探針卡將半導體芯片連接到測試裝置，之后就可以對晶圓進行溫度、速度和運動測試以檢驗相關半導體功能。

封裝

經過之前幾道工藝的處理，現在的晶圓上已經形成數百片大小相等的方形芯片。接著，把這些小方片切好，便可以得到一顆顆用于各種設備上的芯片。當然，這些剛切割下來的小方片是很脆弱的，還不能交換電信號，需要進行封裝后，才能形成芯片。封裝是指在半導體芯片外部形成保護殼，并使得它們能夠與外部交換電信號。整個封裝制程分為五步，即晶圓鋸切、單個晶片附著、互連、成型和封裝測試。

芯片制造是個“點沙成金”的過程，一顆芯片從設計到誕生，經歷了漫長的“旅行”。本文對芯片制造的基本步驟進行了簡單梳理，實際上，芯片的制程要復雜得多，越先進的制程，就有著越復雜的工藝，每一步都凝結著人類智慧的結晶。

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