芯片制作過(guò)程有多少道工序？芯片制作過(guò)程圖文詳細(xì)介紹

本文將簡(jiǎn)單分享，芯片在制造環(huán)節(jié)的過(guò)程。以后還會(huì)出一期講解芯片是如何設(shè)計(jì)的，各類型芯片的區(qū)別的分享，敬請(qǐng)留意。

本文講解的芯片指的是：硅基芯片。

大概的流程：硅石/二氧化硅(SiO?)→硅錠(Silicon，工業(yè)冶煉級(jí) )→硅棒( Slicon rod 多晶硅棒(光伏級(jí))→芯片級(jí)單晶硅棒)→硅片→晶圓(Wafer)( Silicon wafer)→芯片

更詳細(xì)的工藝參考如圖

備注：未切割的單晶硅材料是一種薄型圓片叫晶圓片，是半導(dǎo)體行業(yè)的原材料，割后叫硅片，通過(guò)對(duì)硅片進(jìn)行光刻、離子注入等手段，可以制成各種半導(dǎo)體器件

第一步：找品質(zhì)比較好的硅石(二氧化硅含量比較多的一種礦)

硅石礦

建筑用的沙子，主要含量也是二氧化硅，但是硅石的含量要更高。

第二步：在硅石中提煉相對(duì)高純度的冶煉級(jí)工業(yè)硅錠(Silicon)

在石墨礦熱爐(石墨電弧電爐)里面，按比例放上硅石、木屑、煤炭等材料，加熱至2000度左右，通過(guò)還原反應(yīng)，提取濃度為98%-99%的冶煉級(jí)工業(yè)硅。

備注：石墨的熔點(diǎn)為3850±50℃,沸點(diǎn)為4250℃，即使經(jīng)超高電弧灼燒,重量的損失很小,熱膨脹系數(shù)也很小，是目前最理想的冶煉硅石的設(shè)備;

石墨礦熱爐提取硅

碳化硅(SiC)是未來(lái)第三代半導(dǎo)體中功率元器件的主要材料，未來(lái)可期

純度98-99%的硅錠

第三步：在冶煉級(jí)工業(yè)硅錠中一步一步提純變成芯片級(jí)硅棒

西門子法

使用西門子法(1955年發(fā)明)，把工業(yè)硅錠變成多晶硅硅棒

1、把工業(yè)級(jí)硅錠粉碎成硅粉

2、在325℃高溫下，注入氯化氫(HCl)，325℃下，硅粉中的硅和氯化氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：Si+3HCI→H?+SiHCl3，另外硅粉中可能摻雜的鋁、鐵，這些也會(huì)和氯化氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終裝置里面會(huì)有沸點(diǎn)不同的氣體：32℃的SiHCl3、315℃的FeCI3、180℃的AlCl3、57℃的SiI4等氣體

3、利用裝置中的冷凝器和蒸餾塔，把SiHCl3提取出來(lái)

4、在1100℃溫度下，往SiHCl3，注入氫氣，讓其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

2H?+4SiHCl3→3Si+8HCI+4SiCl4

這個(gè)溫度狀態(tài)下，硅會(huì)呈現(xiàn)黑色的固態(tài)，會(huì)給人有慢慢“生長(zhǎng)”的過(guò)程視覺(jué)

多晶硅硅棒

此刻的“硅棒”，含硅量在99.9999%，6個(gè)9適合光伏產(chǎn)業(yè)(太陽(yáng)能板等)

使用“柴可拉斯基法”，又叫直拉法/提拉法,英文名：Czochralski process，波蘭科學(xué)家，于1916年研究金屬的結(jié)晶速率時(shí)，發(fā)明了這種方法。把多晶硅棒，提取成質(zhì)地均勻、性能穩(wěn)定的單硅晶硅棒。

柴可拉斯基法

在石英工業(yè)坩堝(石英的熔點(diǎn)為1750℃)里面，放入多晶硅，將溫度加熱到稍微大于硅的熔點(diǎn)(1410℃)，形成液體硅。先用一根細(xì)長(zhǎng)單晶硅作為引點(diǎn)，進(jìn)入液體硅，按照一定的旋轉(zhuǎn)速度、提拉速度等進(jìn)行提拉，硅被拉出來(lái)后逐步冷凝后形成單晶硅硅棒(12英寸拉1.5米，兩頭呈錐形，重一般在270公斤-300公斤左右，8英寸一般在6米)

12英寸國(guó)產(chǎn)單晶硅棒

畫(huà)黑板：?jiǎn)尉Ч韫璋糁睆皆酱?，切出?lái)的硅片包括后面的晶圓最大，單片上生產(chǎn)的芯片越多，單個(gè)芯片的成本越低

第四步：芯片級(jí)單晶硅棒切成薄片→芯片級(jí)硅片→芯片級(jí)晶圓(純度為：99.999999999%，也就是11個(gè)9，芯片級(jí)晶圓是我國(guó)芯片制造中卡脖子的開(kāi)始)

從毛坯房到精裝房：硅片→晶圓，晶圓是精加工后的硅片

過(guò)程需要經(jīng)歷：滾磨→激光標(biāo)識(shí)→切片→倒角→磨片→腐蝕→背損傷→邊緣鏡面拋光→預(yù)熱清洗→抵抗穩(wěn)定，退火→背封→粘片→拋光→檢查前清洗→外觀檢查→金屬清洗→擦片→激光檢查→包裝(里面充滿氮?dú)?

全球芯片級(jí)單晶硅片主要被以下五個(gè)公司壟斷(90%+)：以2020年為例子。2020年，全球前五大硅片廠商分別為：日本信越化學(xué)，市占27.53%;日本勝高，市占21.51%;環(huán)球晶圓，市占14.8%;德國(guó)世創(chuàng)，市占11.46%;韓國(guó)鮮京矽特隆，市占11.31%。值得一提的是，在環(huán)球晶圓完成對(duì)世創(chuàng)的收購(gòu)后，一躍成為僅次于信越化學(xué)的全球第二大半導(dǎo)體硅片廠商。目前全球芯片級(jí)硅片產(chǎn)業(yè)大概是120億美金的市場(chǎng)(2020年)，屬于高投入，高技術(shù)，相對(duì)低利潤(rùn)率的產(chǎn)業(yè)，國(guó)內(nèi)的廠家主要是：中環(huán)股份、杭州立昂微、上海硅產(chǎn)業(yè)集團(tuán)。

芯片級(jí)硅片產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)備目前基本為日本企業(yè)的精密制造的企業(yè)和少數(shù)歐美的企業(yè)壟斷，比如單晶爐、切割機(jī)、倒角機(jī)……

請(qǐng)注意：這里說(shuō)的硅片指的是是芯片級(jí)的硅片

硅片

晶圓領(lǐng)域：

從6英寸到8英寸只花了大約6年時(shí)間，而從8英寸到12英寸則用去了近10年時(shí)間，18英寸晶圓一直仍在路上;8英寸≈200mm;12英寸≈300mm

8英寸，主要運(yùn)用于90nm以上制程的芯片，如部分汽車芯片，宇航級(jí)芯片，軍用芯片;12英寸則主要運(yùn)用于45nm及以上的先進(jìn)制程的芯片：智能終端為主。

第五步：晶圓→芯片

首先要準(zhǔn)備：制作光刻掩膜版(Mask Reticle)光刻掩膜版：(又稱光罩，簡(jiǎn)稱掩膜版)，是微納加工技術(shù)常用的光刻工藝所使用的圖形母版。由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜圖形結(jié)構(gòu)，再通過(guò)曝光過(guò)程將圖形信息轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品基片上。

作用：芯片設(shè)計(jì)師將CPU的功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖繪制完畢之后，就可將這張包含了CPU功能模塊、電路系統(tǒng)等物理結(jié)構(gòu)的“地圖”繪制在“印刷母板”上，供批量生產(chǎn)了。這一步驟就是制作光刻掩膜版。

然后開(kāi)始對(duì)晶圓進(jìn)入光刻階段了(卡脖子主要是在光刻機(jī)、光刻膠)

1、準(zhǔn)備晶圓覆膜(氧化)：將準(zhǔn)備好的晶圓扔進(jìn)光刻機(jī)光刻之前，一般通過(guò)高溫加熱方式使其表面產(chǎn)生氧化膜，如使用二氧化硅(覆化)作為光導(dǎo)纖維，便于后續(xù)的光刻流程：

2、往晶圓上涂上光刻膠

“光刻膠(英語(yǔ):photoresist),亦稱為光阻或光阻劑,是指通過(guò)紫外光、深紫外光、電子束、離子束、X射線等光照或輻射,其溶解度發(fā)生變化的耐蝕刻薄膜材料,是光刻工藝中的關(guān)鍵材料,主要應(yīng)用于集成電路和半導(dǎo)體分立器件的細(xì)微圖形加工。”

3、光刻機(jī)光刻

光刻機(jī)將紫外(或極紫外)光通過(guò)鏡片，照在前面準(zhǔn)備好的集成電路掩膜版上，將設(shè)計(jì)師繪制好的“電路圖”曝光(光刻)在晶圓上

芯片光刻

4、先溶解光刻膠，光刻過(guò)程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致再進(jìn)行蝕刻

5、蝕刻

照射到的光阻需要用顯影液祛除

光刻機(jī)照射到部分的光阻(光刻膠)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，一般使用顯影液將曝光部分祛除

被光阻(光刻膠)覆蓋部分以外的氧化膜，則需要通過(guò)與氣體反應(yīng)祛除

6、離子注入：在真空中，用經(jīng)過(guò)加速的原子、離子照射(注入)固體材料，使被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，改變區(qū)域的硅的導(dǎo)電性

7、電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會(huì)從正極(陽(yáng)極)走向負(fù)極(陰極)。

8、拋光：將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面

9、在完成一層光刻流程之后，把這一階段制作好的晶圓用絕緣膜覆蓋，然后重新涂上光阻(光刻膠)，繼續(xù)開(kāi)始新一層的光刻……越是先進(jìn)制程的芯片，層數(shù)越多，有的超過(guò)30層。

最后制造出布滿芯片的晶圓

10、晶圓測(cè)試，內(nèi)核級(jí)別，使用參考電路圖案和每一塊芯片進(jìn)行對(duì)比

11、晶圓切片，丟棄瑕疵芯片。

12、封裝及再次測(cè)試

13、包裝，發(fā)貨

芯片制造流程參考圖

小結(jié)和補(bǔ)充

1、我們?cè)谛酒圃祛I(lǐng)域存在著多個(gè)被“卡脖子”的細(xì)分賽道，比如“芯片級(jí)硅片”的制造、光刻(光刻機(jī)、光刻膠、涂膠顯影機(jī)、拋光機(jī))，從要保證基本需求的角度來(lái)看，材料技術(shù)最缺，其次是設(shè)備。

2、高端技術(shù)是買不來(lái)的，安全也是買不來(lái)的，還是得自己腳踏實(shí)地?cái)]起袖子加油干。

3、不要好高騖遠(yuǎn)，不要過(guò)度追求7nm、5nm,芯片制造是復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)鏈，需要把更多精力先放在完善產(chǎn)業(yè)鏈，補(bǔ)短板上，短期內(nèi)能把28nm芯片的制造產(chǎn)業(yè)鏈全部自主，目前來(lái)看就能大部分滿足國(guó)家安全和民生需求了。

感恩我們生活在這個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)代，有機(jī)會(huì)見(jiàn)證中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的崛起和反超。