半导体行业工艺知识

写在前面

本文将聚焦于半导体工艺这一关键领域。半导体工艺是半导体行业中的核心技术，它涵盖了从原材料处理到最终产品制造的整个流程。

半导体制造流程包含几个核心环节。首先，起始于晶圆准备，选用硅晶片作为制造半导体器件的基础材料。此阶段涉及晶圆的清洗与抛光，以准备一个光滑无瑕的衬底用于后续电子元件的制造。

接下来是图案形成步骤，通过光刻技术在硅晶片上创建精细的图案。具体操作是，在晶片表面涂覆一层光刻胶，再将带有预定电子元件图案的掩模覆盖其上。利用紫外线照射，将掩模上的图案转移到光刻胶层，随后去除曝光部分的光刻胶，从而在晶片上形成所需的图案轮廓。

之后是掺杂过程，向硅晶片中引入特定材料（如硼或磷），以调整其电学性能。这些材料通过离子注入技术，以高速离子形式被精确注入到晶片表面，形成p型或n型半导体。

紧接着是沉积步骤，在晶片上沉积薄膜材料，用于构建电子元件。这包括化学气相沉积、物理气相沉积及原子层沉积等多种技术，用于沉积金属、氧化物、氮化物等材料。

随后是刻蚀环节，通过湿式、干式或等离子刻蚀技术，从晶片表面去除多余材料，塑造出电子元件所需的精确形状和结构。

最后，进行封装，将制造好的电子元件组装成可用于电子设备的成品，包括连接到电路板并与其他元件建立电气连接。

半导体制造工艺极为复杂，依赖多种专业设备和材料，是现代电子设备不可或缺的基石。整个制造周期可能长达数周至数月，涉及数百道精细工序，从晶圆制备到最终封装，每一步都至关重要。

半导体集成电路是高度集成的电子部件，通过在晶圆上批量制造多个相同电路实现。晶圆，作为半导体制造的基础，通常由硅或砷化镓等单晶材料切片而成，其中硅晶圆大多源自沙子，具有资源丰富、环境友好等优势。

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晶圆的制造

晶圆制造是一个复杂而精细的过程，其核心在于将自然界中的沙子（二氧化硅硅石）转化为高纯度的硅片，进而构建出半导体器件的基础。这个过程始于将沙子冶炼成工业硅（金属硅），随后经过提纯得到多晶硅，再通过直拉工艺提炼出更高纯度的单晶硅棒。这些单晶硅棒经过精细的打磨、切割、倒角和抛光处理，最终转化为用于半导体制造的硅片。

在得到硅片后，制造过程进入了一个循环往复的阶段，包括沉积、光刻、刻蚀和离子注入等关键步骤。首先，硅片需要进行无尘清洁，以确保其表面干净无杂质。随后，将硅片放入机器中进行沉积氧化加膜，以增强其稳定性和性能。接着，在硅片表面均匀涂上光刻胶，并利用光刻机将紫外光线透过光掩模照射到光刻胶上进行曝光，从而将电路图案精确地转移到光刻胶上。

完成曝光后，硅片被送入刻蚀机进行刻蚀。在这个过程中，利用等离子体物理冲击和离子注入技术，将未被光刻胶覆盖的氧化膜和下方的硅片刻蚀掉，形成鳍式场效应晶体管中的鳍状结构。刻蚀完成后，再次进行清洗，以去除光刻胶和杂质。

接下来是离子注入步骤，利用高速度、高能量的离子束流注入硅片，改变其载流子浓度和导电类型，从而形成PN结。为了保护硅片并增强其性能，再次进行气相沉积加覆保护膜。最后，通过CMP化学研磨技术将硅片打磨平整并抛光，为后续的薄膜沉积创造有利条件。

这个循环往复的过程需要重复数十次甚至数百次，才能在一块12寸的晶圆上制作出约700块芯片。每一次循环都涉及到精密的工艺控制和严格的质量检测，以确保最终产品的性能和可靠性。因此，晶圆制造是一个高度技术密集型和资本密集型的行业，对于现代电子产业的发展具有至关重要的作用。

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硅锭制造

为了将沙子中提取的硅转化为半导体材料，首先需要进行提纯处理。硅原料在高温下被熔化成高纯度的硅溶液，然后经过结晶凝固，形成一根被称为锭的硅柱。这种用于半导体的锭是通过纳米级微细工艺制造的，具有超高的纯度。

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晶圆切割

接下来，需要将这个圆陀螺形状的硅锭切割成薄片状的晶圆。这个过程中，我们会使用金刚石锯将其切成均匀厚度的薄片。晶圆的尺寸由其直径决定，常见的尺寸有150毫米（6英寸）、200毫米（8英寸）和300毫米（12英寸）等。晶圆越薄，制造成本就越低；而直径越大，一次能生产的半导体芯片数量就越多。因此，晶圆的厚度和大小都在逐渐变薄和扩大。

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晶圆抛光

切割后的晶圆表面可能存在瑕疵和粗糙，这会影响电路的精密度。因此，我们需要对晶圆进行抛光处理，使其表面像镜子一样光滑。这个过程中，我们会使用抛光液和抛光设备对晶圆表面进行研磨。加工前的晶圆被称为裸晶圆，因为它还没有经过任何处理。经过物理和化学多个阶段的加工后，我们可以在晶圆表面形成集成电路（IC）。加工完成后，晶圆就会呈现出特定的形状。

晶圆（Wafer）

晶圆是半导体集成电路制造中的核心组件，呈现为一种圆形的平板形态。

晶粒（Die）

在圆形的晶圆上，分布着许多四边形区域，这些区域都是集成了电子电路的IC芯片，被称为晶粒。

分割槽（Scribe Line）

尽管晶粒在晶圆上看起来像是紧密相连，但它们之间其实留有一定的间隔，这个间隔被称为分割槽。设置分割槽的目的是为了在晶圆加工完成后，能够方便地将各个晶粒切割开来，组装成独立的芯片。同时，分割槽也为使用金刚石锯进行切割提供了必要的空间。

定位区（Flat Zone）

1为了区分晶圆的结构，人们特意在晶圆上设置了定位区，这个区域成为了晶圆加工过程中的标准参照线。由于晶圆的晶体结构非常精细，肉眼难以分辨，因此人们以定位区作为基准，来判断晶圆的垂直和水平方向。

凹槽（Notch）

如今，一些晶圆被设计成了带有凹槽的形状。与带有定位区的晶圆相比，带有凹槽的晶圆能够制造更多的晶粒，从而提高了生产效率。半导体产业涵盖了晶圆生产、晶圆加工以及晶圆组装等多个环节。其中，晶圆产业负责生产晶圆；晶圆加工产业则利用晶圆作为材料，设计和制造各种集成电路；而晶圆组装产业则负责将加工过的晶圆切割成晶粒，并进行封装，以防止其受潮或受压。