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半导体芯片制造的复杂工艺流程

作者郑可乐 文章浏览量: 86 次

1月 13, 2022 ,

目前电子信息制造领域的自动化、智能化水平,仅次于汽车工业。在半导体产业中,晶圆制造的自动化、智能化水平最高。

以下为半导体芯片生产工序简析:

1、硅提纯

生产芯片等芯片的材料是半导体,现阶段主要的材料是硅Si,这是一种非金属元素,从化学的角度来看,由于它处于元素周期表中金属元素区与非金属元素区的交界处,所以具有半导体的性质,适合于制造各种微小的晶体管,是目前最适宜于制造现代大规模集成电路的材料之一。

在硅提纯的过程中,原材料硅将被熔化,并放进一个巨大的石英熔炉。这时向熔炉里放入一颗晶种,以便硅晶体围着这颗晶种生长,直到形成一个几近完美的单晶硅。以往的硅锭的直径大都是200毫米,而芯片厂商正在增加300毫米晶圆的生产。

2、切割晶圆

硅锭造出来了,并被整型成一个完美的圆柱体,接下来将被切割成片状,称为晶圆。晶圆才被真正用于芯片的制造。所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片,并将其划分成多个细小的区域,每个区域都将成为一个芯片的内核(Die)。一般来说,晶圆切得越薄,相同量的硅材料能够制造的芯片成品就越多。

3、影印(Photolithography)

在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻(Photoresist)物质,紫外线通过印制着芯片复杂电路结构图样的模板照射硅基片,被紫外线照射的地方光阻物质溶解。而为了避免让不需要被曝光的区域也受到光的干扰,必须制作遮罩来遮蔽这些区域。这是个相当复杂的过程,每一个遮罩的复杂程度得用几十个GB数据来描述。

4、蚀刻(Etching)

这是芯片生产过程中重要操作,也是芯片工业中的重头技术。蚀刻技术把对光的应用推向了极限。蚀刻使用的是波长很短的紫外光并配合很大的镜头。短波长的光将透过这些石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上,使之曝光。接下来停止光照并移除遮罩,使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光敏抗蚀膜,以及在下面紧贴着抗蚀膜的一层硅。然后,曝光的硅将被原子轰击,使得暴露的硅基片局部掺杂,从而改变这些区域的导电状态,以制造出N井或P井,结合上面制造的基片,芯片的门电路就完成了。

5、重复、分层

为加工新的一层电路,再次生长硅氧化物,然后沉积一层多晶硅,涂敷光阻物质,重复影印、蚀刻过程,得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。重复多遍,形成一个3D的结构,这才是最终的芯片的核心。每几层中间都要填上金属作为导体。层数决定于设计时芯片的晶体管布局和晶体管规模,以及通过的电流大小。

6、封装

这时的芯片是一块块晶圆,它还不能直接被用户使用,必须将它封入一个陶瓷的或塑料的封壳中,这样它就可以很容易地装在一块电路板上了。封装结构各有不同,但越高级的芯片封装也越复杂,新的封装往往能带来芯片电气性能和稳定性的提升,并能间接地为主频的提升提供坚实可靠的基础。

7、多次测试

测试是一个芯片制造的重要环节,也是一块芯片出厂前必要的考验。这一步将利用X-RAY观察IC芯片内部结构,通过检测到芯片中的绑定线(焊线)和焊接点,用以判断芯片焊接是否符合标准,是否存在脱焊、虚焊、漏焊、错焊等现象,从而发现IC芯片工艺中的物理缺陷和不良品。最后,个别芯片可能存在某些功能上的缺陷,如果问题出在缓存上,制造商仍然可以屏蔽掉它的部分缓存,这意味着这块芯片依然能够出售,只是它可能是Celeron等低端产品。当芯片被放进包装盒之前,一般还要进行最后一次测试,以确保之前的工作准确无误。根据前面确定的最高运行频率和缓存的不同,它们被放进不同的包装,销往世界各地。

大部分晶圆厂实力雄厚,资金充裕,一般在上下物料、码垛等环节已经实现了机器人的普及,节省了人力成本。另一方面,在摩尔定律推动下,半导体制造行业也通过创新研发周期,并提供大批量定制化、个性化方案,以快速响应市场需求。

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