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半导体制造全流程:晶圆加工、氧化、光刻

486人阅读 · 0评论 文章来源:泛林集团

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。





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。


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,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。




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凹痕标记,方便在后续步骤中以其为标准设置加工方向。


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8001200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。


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。


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ASMLimec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。


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。

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