揭秘半导体制造全流程（上篇）
发布日期：2021-07-21
来源：泛林
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。
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
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。
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。
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。
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。
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！
