揭秘半导体制造全流程(上篇)

2021-07-20来源: EEWORLD关键字:半导体  半导体制造

揭秘半导体制造全流程(上篇)


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当听到“半导体”这个词时,你会想到什么?它听起来复杂且遥远,但其实已经渗透到我们生活的各个方面:从智能手机、笔记本电脑、信用卡到地铁,我们日常生活所依赖的各种物品都用到了半导体。


每个半导体产品的制造都需要数百个工艺,泛林集团将整个制造过程分为八个步骤:晶圆加工-氧化-光刻-刻蚀-薄膜沉积-互连-测试-封装。

 

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为帮助大家了解和认识半导体及相关工艺,我们将以三期微信推送,为大家逐一介绍上述每个步骤。


第一步晶圆加工


所有半导体工艺都始于一粒沙子!因为沙子所含的硅是生产晶圆所需要的原材料。晶圆是将硅(Si)或砷化镓(GaAs)制成的单晶柱体切割形成的圆薄片。要提取高纯度的硅材料需要用到硅砂,一种二氧化硅含量高达95%的特殊材料,也是制作晶圆的主要原材料。晶圆加工就是制作获取上述晶圆的过程。


①铸锭 

 

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首先需将沙子加热,分离其中的一氧化碳和硅,并不断重复该过程直至获得超高纯度的电子级硅(EG-Si)。高纯硅熔化成液体,进而再凝固成单晶固体形式,称为“锭”,这就是半导体制造的第一步。硅锭(硅柱)的制作精度要求很高,达到纳米级,其广泛应用的制造方法是提拉法。


②锭切割


前一个步骤完成后,需要用金刚石锯切掉铸锭的两端,再将其切割成一定厚度的薄片。锭薄片直径决定了晶圆的尺寸,更大更薄的晶圆能被分割成更多的可用单元,有助于降低生产成本。切割硅锭后需在薄片上加入“平坦区”或“凹痕”标记,方便在后续步骤中以其为标准设置加工方向。


③晶圆表面抛光


通过上述切割过程获得的薄片被称为“裸片”,即未经加工的“原料晶圆”。裸片的表面凹凸不平,无法直接在上面印制电路图形。因此,需要先通过研磨和化学刻蚀工艺去除表面瑕疵,然后通过抛光形成光洁的表面,再通过清洗去除残留污染物,即可获得表面整洁的成品晶圆。


第二步氧化


氧化过程的作用是在晶圆表面形成保护膜。它可以保护晶圆不受化学杂质影响、避免漏电流进入电路、预防离子植入过程中的扩散以及防止晶圆在刻蚀时滑脱。

 

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氧化过程的第一步是去除杂质和污染物,需要通过四步去除有机物、金属等杂质及蒸发残留的水分。清洁完成后就可以将晶圆置于800至1200摄氏度的高温环境下,通过氧气或蒸气在晶圆表面的流动形成二氧化硅(即“氧化物”)层。氧气扩散通过氧化层与硅反应形成不同厚度的氧化层,可以在氧化完成后测量它的厚度。


干法氧化和湿法氧化


根据氧化反应中氧化剂的不同,热氧化过程可分为干法氧化和湿法氧化,前者使用纯氧产生二氧化硅层,速度慢但氧化层薄而致密,后者需同时使用氧气和高溶解度的水蒸气,其特点是生长速度快但保护层相对较厚且密度较低。

 

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除氧化剂以外,还有其他变量会影响到二氧化硅层的厚度。首先,晶圆结构及其表面缺陷和内部掺杂浓度都会影响氧化层的生成速率。此外,氧化设备产生的压力和温度越高,氧化层的生成就越快。在氧化过程,还需要根据单元中晶圆的位置而使用假片,以保护晶圆并减小氧化度的差异。


第三步光刻


光刻是通过光线将电路图案“印刷”到晶圆上,我们可以将其理解为在晶圆表面绘制半导体制造所需的平面图。电路图案的精细度越高,成品芯片的集成度就越高,必须通过先进的光刻技术才能实现。具体来说,光刻可分为涂覆光刻胶、曝光和显影三个步骤。


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。

 

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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

 

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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。


在曝光过程中,印刷图案越精细,最终的芯片就能够容纳更多元件,这有助于提高生产效率并降低单个元件的成本。在这个领域,目前备受瞩目的新技术是EUV光刻。去年2月,泛林集团与战略合作伙伴ASML和imec共同研发出了一种全新的干膜光刻胶技术。该技术能通过提高分辨率(微调电路宽度的关键要素)大幅提升EUV光刻曝光工艺的生产率和良率。


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。


以上是对晶圆加工、氧化和光刻工艺的简要介绍,下一期,我们将为大家介绍半导体制造中两大重要步骤——刻蚀和薄膜沉积,敬请期待!



关键字:半导体  半导体制造 编辑:张工 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/manufacture/ic542419.html

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