简述芯片制造过程

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芯片制造

芯片的生产从用户需求开始，经过设计、制造、封装、成品测试到最后出厂。其中技术难度最高的是设计和制造。设计需要大量的计算机辅助设计软件，设计费时很长，要设计出好产品，需要积累大量的经验。目前，大部分产品都是在原先设计的版本上翻新的。芯片制造是芯片生产中投资最大的部分，一个技术领先的芯片制造厂，没有几十亿美元是不可能制造出产品的。除了投资巨大之外，还必须有大量的有经验的技术人员才能研发出好的制造流程。

芯片制造一般有五个重要步骤：一是光刻（Photolithography）；二是刻蚀（Etch）；三是薄膜沉积（Deposition）；四是扩散（Diffusion）；五是离子注入（Ion Implantation）。

一、光刻

光刻和传统的照相相似，先在晶圆上涂上光刻胶（Photo Resistor），然后曝光掩膜板（Mask），显影光刻胶（Develop），再刻蚀曝光过的区域。于是，晶圆上就留出了刻蚀或离子注入的区域。光刻工艺主要用于定义硅晶圆上的几何图案。

1、涂覆光刻胶

在晶圆上绘制电路的第一步是在氧化层上涂覆光刻胶。光刻胶通过改变化学性质的方式让晶圆成为“相纸”。晶圆表面的光刻胶层越薄，涂覆越均匀，可以印刷的图形就越精细。这个步骤可以采用“旋涂”方法。

根据光（紫外线）反应性的区别，光刻胶可分为两种：正胶和负胶，前者在受光后会分解并消失，从而留下未受光区域的图形，而后者在受光后会聚合并让受光部分的图形显现出来。

2、曝光

在晶圆上覆盖光刻胶薄膜后，就可以通过控制光线照射来完成电路印刷，这个过程被称为“曝光”。我们可以通过曝光设备来选择性地通过光线，当光线穿过包含电路图案的掩膜时，就能将电路印制到下方涂有光刻胶薄膜的晶圆上。

3、显影

曝光之后的步骤是在晶圆上喷涂显影剂，目的是去除图形未覆盖区域的光刻胶，从而让印刷好的电路图案显现出来。显影完成后需要通过各种测量设备和光学显微镜进行检查，确保电路图绘制的质量。

二、刻蚀

用物理的、化学的或同时使用化学和物理的方法，有选择地把没有掩膜保护的那一部分材料去除，从而得到与掩膜一致的图形，实现图形转移。

刻蚀的方法主要分为两种，取决于所使用的物质：使用特定的化学溶液进行化学反应来去除材料的湿法刻蚀，以及使用气体或等离子体的干法刻蚀。

1、湿法刻蚀

利用特定溶液与未受保护部分的材料进行化学反应，形成可溶物质溶解在溶液中，从而使材料从表面逐层清除

2、干法刻蚀

干法刻蚀可以分为物理性刻蚀、化学性刻蚀、物理化学结合（反应离子刻蚀）三种。

三、薄膜沉积

薄膜淀积是把物质沉积在晶圆表面上。有化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition，CVD）和物理气相淀积（Physical Vapor Deposition，PVD）等方法。化学气相淀积是把几种气体注入硅晶圆之上，进行化学反应后物质淀积在晶圆上。物理气相淀积把一个个原子淀积在硅晶圆上，它是从固相到气相再到固相的过程。

1、化学气相淀积

在化学气相沉积中，前驱气体会在反应腔发生化学反应并生成附着在晶圆表面的薄膜以及被抽出腔室的副产物。

2、物理气相淀积

物理气相沉积是指通过物理手段形成薄膜。溅射就是一种物理气相沉积方法，其原理是通过氩等离子体的轰击让靶材的原子溅射出来并沉积在晶圆表面形成薄膜。

四、扩散

扩散在芯片制造中有两个作用：一是产生氧化层，产生氧化层的温度为800～1200℃，二是在高温下把杂质注入硅晶圆或激活。

五、离子注入

离子注入就是把晶圆作为一个电极，在离子源和晶圆之间加上高电压，于是那些掺杂离子就会以极高的能量打入晶圆，在晶圆上形成N或P型区域。离子注入后必须对晶圆进行高温退火（Anneal）从而修复离子注入后晶圆的损伤。离子注入主要用于制造不同的半导体区域（N区或P区见下图）。

审核编辑 黄宇