芯片制造行业上下游介绍 II

Posted recently Updated recently

By abing

17~22 min read

之前我们介绍了芯片设计相关的工序内容，而芯片完成设计了之后，就是将对应的晶片生产出来，而本章，就是主要阐述晶圆的制造过程的部分过程。

晶圆制造

晶圆，是半导体晶体圆形片的简称，指的是硅(Si)、砷化镓(GaAs)等生成的单晶柱切成薄片的圆盘。

晶圆越大，同一圆片上可生产的集成电路（integrated circuit, IC）就越多，毕竟统一加工肯定比一枚一枚Die加工；但对材料技术和生产技术的要求更高，例如均匀度等等的问题，使得近年来晶圆不再追求更大，有些时候厂商会基于成本及良率等因素而停留在成熟的旧制程。硅晶圆的直径种类多样，从25.4毫米到300毫米不等。半导体制造厂（俗称“晶圆厂”）的分类通常依据其可加工的晶圆直径。为了提升产量并降低成本，晶圆直径逐步扩大，目前最先进的晶圆厂使用300毫米晶圆，未来计划采用450毫米晶圆。

这部分主要是材料学相关的知识点会比较多，大概粗略分为以下几个部分：

制造锭（Ingot）

我们都知道晶片的原料是沙子，是硅，但是我们应该如何将这些沙子并不直接等价于硅，于是我们就得经过第一步——提纯。

地球上第二多的元素就是硅，但是我们没办法直接拿着沙子说这是芯片，因为沙子的主要成分，是二氧化硅，而芯片使用的，则是高纯度的单晶硅，所以我们就得将二氧化硅还原为硅单质，并且进行提纯，才能获得对应的高纯度单晶硅，也就是我们这章的标题。

大概的过程是先利用高温以及各种还原剂，将二氧化硅还原为高纯度的硅液，再进行提纯，并使其冷却凝固，一步步下来，从而获得极高纯度的硅锭。再将硅锭变为磨砂的硅柱，最后再抛光成对应的硅棒。其中的化学提纯步骤过于复杂，详细细节笔者了解得也不深入，因此只能粗略阐述到此。感兴趣的同学可以搜索一下对应的硅锭锭提纯和直拉法、西门子法、柴克斯基法等；他们分别对应了硅提纯以及转化为单晶硅的各个步骤。

图1. 新美光超大尺寸单晶硅棒^[1]

晶圆切片（Wafer Slicing）

从上面的图片中，我们可以看到，初始的硅棒肯定不像我们平常认知中的晶圆一样，薄薄的一层，所以我们必须对其进行切割，才能成为我们熟悉的印象中的那种超薄超轻的晶圆。而这一步，显然没办法跟我们平常拿菜刀切菜一样，我们面对的是刚刚图中的超大单晶硅棒，因此，切割所用到的技术，也不能一概而论。

图2. 腾盛精密公司宣传片^[2]

在切片完之后，还需要经过打磨，正面抛光，背面粗糙等工艺之后，才能成为光刻机雕刻的原材料。毕竟这一步不仅仅是为了切成一片一片，我们还要对后面的制程留出作业的冗余空间，正面需要抛光，让之后光刻的光路不要发生不期望的偏折，以及背面的粗糙，留给承载面的摩擦力与加工的冗余空间，因为不同的厚度有不同的作业空间。

光刻（Photolithography）

有了切好的晶圆之后，就可以在上面雕刻我们的电路了，但是有没有想过——为什么是用光？答案是，快，精度。光作为目前我们已知的，传播速度最快的，天生契合24小时工作的工厂（毕竟相当于都是印钞机）；并且光的精度能做到很高，因为本来就是为了在尽量小的空间内塞进更多的电子元件。光刻这个过程，实际上就是在晶圆上雕刻出我们要的这些电子元件。在这一步中，最重要的三个元素就是 光刻胶、光刻机、光掩膜。

光刻的过程其实就是使用曝光和显影在光阻层上刻画几何图形结构 。然后再交由下一步刻蚀工艺把光掩模上的图案（电路图）转移到晶圆上。

光刻胶（光阻）

就跟我们篆刻有阴刻和阳刻，光刻胶也分为两种，他们都是光敏材料，不同的是正性光刻胶会在光的照射下，融于显影液，负性光刻胶则相反，没有被光照射的部分，才会溶于显影液。而这部分留下来的部分，就会为之后的蚀刻工艺起到保护作用，保护仍有显影液的部分不被蚀刻，这样子电路就被刻到了晶圆上。

图3. 正性/负性光刻胶作用原理示意图^[3]

光掩模（光罩）

为了在晶圆（光刻胶上）绘制对应的电路，我们就需要一份模板，能够遮住相应的位置，让光路准确的显示到光刻胶上，我们就需要使用光掩模来将电路刻上去，其实就类似相机的底片。

光刻机

光刻机，以我们熟知的ASML的EUV光刻机为例，我们来挨个讲讲它的各个参数，从参数入手，我们来了解光刻的原理。

图4. ASML TWINSCAN EXE：5200B EUV光刻机^[4]

首先第一个 EUV light wavelength: 13.5 nm, EUV 全称是 extreme ultraviolet 极紫外光，它的波长是 13.5 nm，光的波长越小，光刻的效果就越好，因为光是一种波，在极小的尺度上，光并不沿着直线传播，因此，在光刻的时候，必须考虑光的衍射效应，毕竟如果将晶圆和掩模版靠得太近，我们要做到的就不仅仅是nm级别了，因此这种情况我们暂时不考虑（当然，也是有对应的光刻技术，叫做接近式光刻）。光的衍射带来的问题就是我们没办法直接通过照出来的图案判断出掩模版的原始形状。

图5. 光的衍射示意图(by ChatGPT)

为了获取原始的这些孔的位置的信息，我们则需要用镜头将这些光的信息重新收集起来。这时候就需要用到透镜，透镜可以说是现代光学的最重要的东西了。

图6. 透镜收集衍射光波信息^[5]

我们收集到的光波越完整符合光掩模上面的图像的，它的成像质量也就越好，这个就受到这些镜片组的质量影响了。这个成像的能力，我们一般把它叫做透镜的数值孔径，也就是图4里面的 Projection optics 也就是 0.55 NA，这个数值孔径越大，成像质量就越好。而这个NA，就是Numerical Aperture的缩写，它的计算公式如下：

NA=nsinθ

其中，n 是镜头与样品之间介质的折射率，空气里通常约为 1；θ 是镜片能够接收到的最大光线半角。