知识普及芯片制造：从沙子到半导体IC

Posted 2021-07-20 Simon223

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    所有的芯片都是从一种非常简单的原材料开始：沙子。需要复杂的化学和物理过程才能从沙子中制造出纯单晶硅锭，称为晶锭，每 1000 万个硅原子中只有一个杂质原子。然后使用特殊的锯切技术从硅晶锭上切割出极薄的晶片。这些晶圆是后续芯片生产的基本构建块。它们制造成各种不同的直径。最常见的尺寸是 150、200 和 300 毫米。

    直径大的晶圆为芯片提供了更多的空间。硅是一种半导体。这意味着它可以导电，也可以作为绝缘体。为了使其导导，在晶圆中加入少量特定原子作为杂质。这些杂质原子必须有许多外电子，这些电子要么比硅多一个，要么少一个。根据外电子的数量，材料变得具有p导电性或传导性。晶体管建立在掺杂晶圆中的p和n导电层上。晶体管是微芯片中最小的控制单元。他们的工作是控制电压和电流，它们是迄今为止电子电路最重要的组件。但是这些层是如何在晶圆上创建的呢？




    芯片制造的过程从布局和设计阶段开始。高度复杂的芯片由数十亿个晶体管组成，使微控制器和加密芯片等复杂电路能够建在只有几平方毫米大小的半导体表面上。组件数量之多需要深入的设计过程。这需要定义芯片的功能，模拟其技术和物理特性，测试其功能并计算出单个晶体管连接。




   首先，晶圆表面在大约一千摄氏度的高温炉中氧化，形成非导电层。然后，利用离心力将光致抗蚀剂材料均匀地分布在该非导电层上。这种涂层工艺会产生一个感光层。然后在称为步进器的特殊曝光机中通过光掩模对晶片进行曝光。芯片图案的暴露区域被显影，露出下面的氧化物层。未曝光的部分保持原样，保护氧化物层。此后，在已使用湿法或等离子蚀刻显影的区域中蚀刻掉暴露的氧化物层。然后，再次施加光刻胶，并通过掩模对晶片进行曝光。再次剥离曝光的光刻胶。




    下一步是掺杂过程，将杂质原子引入暴露的硅中。离子注入机用于将杂质原子注入硅中。这会使暴露硅的导电性改变几分之一微米。祛除光刻胶残留物后，再涂一层氧化层。晶片经历另一个循环，即施加光刻胶、通过掩模曝光和剥离。  

    蚀刻接触孔供导电层访问，使接触和互连能够集成在晶片中。再次施加光刻胶和掩模。为了使互连上方的绝缘层具有光滑表面，使用化学机械工艺以微米精度抛光掉多余的材料。这些单独的步骤可以在制造过程中重复多次，直到集成电路完成。根据芯片的大小和类型，晶圆将包含从几十到数千个芯片。




    制造的最后阶段是组装。在这里，单个芯片被放置在一个封装中，并附有端子。结果是成品半导体器件，可以使用不同类型的端子安装在电路板上，可以实现上千个连接触点。高精度和高质量在工作流程的每个阶段都是必不可少的。

 

（翻译: Eric2013 , 整理自英飞凌）