详解芯片制造全流程
“在现代科技推动下，芯片制造全流程堪称一场精密的工艺之旅。从最初的设计阶段开始，工程师们运用复杂的计算模型和仿真技术，确保每一个电路和晶体管都完美契合。接着，设计图纸通过光刻技术被精准地转移到硅片上，形成微观电路结构。在掺杂和蚀刻(刻蚀)工艺作用下，硅片逐步演变为功能强大的半导体芯片。多层金属化工艺进一步连接起各个电路单元，最终在封测环节中芯片经过严格质量检测，确保每一个成品都能满足高效能和可靠性要求。这个过程不仅展示了材料科学的前沿突破，更是人类智慧与先进科技的完美融合。在全球数字化和智能化转型背景下，芯片制造的重要性愈加凸显，了解半导体制造全流程对于从事电子领域或对此感兴趣的人来说极为关键。在本文中，我们将详述半导体芯片制造全流程。
半导体基本性质是理解其在现代科技中重要作用的关键，其独特的性质使得半导体在电子设备中具有广泛的应用。在深入了解复杂的半导体制造之前，首先需要对半导体的基本性质有一个牢固的理解。
半导体是指电导率介于导体（如金属）和绝缘体（如陶瓷）之间的材料，这种独特的特性使它们能够控制电流，使其成为现代电子设备的基础。
1.1 电学性质
通过引入杂质的过程（称为掺杂）可以改变半导体的导电性。半导体的能隙（或带隙）通常在2~3电子伏特（eV）之间，这对于决定其电学性质至关重要。正是这种带隙将半导体与导体和绝缘体区分开来，使它们在特定条件下能够导电。
1.2 半导体类型
杂质半导体 ：通过掺杂有意引入杂质以改变电学性质的半导体1.3 常用材料
元素半导体
硅 (Si) ：最常用半导体材料，广泛用于集成电路、太阳能电池和各种电子器件
锗 (Ge) ：早期半导体材料，主要用于高频电子器件和红外探测器
化合物半导体
砷化镓 (GaAs) ：高电子迁移率和高频特性，在微波和高频电子器件中应用广泛，如手机和卫星通信 氮化镓 (GaN) ：具有高击穿电场和高电子迁移率，常用于高功率和高频应用，如LED和功率电子器件 碳化硅 (SiC) ：具有高热导率和高击穿电场，适用于高温、高压电子器件，如电力电子和汽车电子 磷化铟 (InP) ：在光通信领域广泛应用，用于制造光电探测器和激光器
新兴半导体材料
二维材料（如石墨烯） ：具有优异电子和光学特性，潜在应用于下一代电子器件和传感器
其他
硫化锌 (ZnS) 、氧化锌 (ZnO) ：用于光电子器件和传感器
1.4 掺杂过程
掺杂是指在半导体材料中引入特定杂质以提高其导电性。掺杂类型和浓度决定了半导体的行为：
N型掺杂 ：添加具有更多电子的原子，提供额外的自由电子进行导电
P型掺杂 ：添加具有较少电子的原子，形成作为正电荷载体的“空穴”
理解这些基础知识至关重要，因为它们构成了更复杂半导体制造过程的基础。在接下来的部分中，我们将深入探讨将原始半导体材料转变为驱动我们世界的先进电子设备所涉及的具体步骤和技术。
02 半导体制造工艺过程
半导体制造过程是一系列复杂且高度专业化的步骤，将原材料转化为功能性电子组件。这个过程涉及多种技术和工艺，每个阶段都需要精确控制和细致入微的关注。 在本节中，我们将概述半导体制造的各个阶段，从半导体晶体的生长到器件的最终封装。
2.1 晶体生长
制造工艺始于高质量半导体晶体的生长，它是生产电子器件的基础材料。对于基于硅的器件，最常见的晶体生长方法是直拉法（Czochralski法），该方法在坩埚中熔化高纯度硅，随后将其冷却至接近冻结点，通过旋转种子晶体从熔体中拉出单晶，并切片成薄片晶圆。这种方法可以生产具有均匀晶体结构和优良电学特性的单晶锭。其他广泛使用的方法还包括Kyropoulos方法、Float Zone方法、Verneuil方法、Bridgman方法等。此外，晶圆经过抛光和清洗以创建一个洁净表面用于后续处理步骤。
晶体生长过程中面临的挑战主要包括控制生长环境的纯净度和温度稳定性，以避免杂质和缺陷引入 ；调节溶液或熔体饱和度以确保均匀生长速率，防止界面粗糙化和不规则形貌的形成；以及在大规模生产中实现高重复性和高质量晶体生产。这些因素均会影响晶体结构完整性和物理性能，使得晶体生长成为一项复杂而精细的工艺。
2.2 晶圆制备
晶圆制备是半导体制造过程中的关键初始步骤，因为它为制造高质量电子器件奠定了基础。这个过程包括将半导体晶体（如硅或砷化镓）转化为具有极其光滑表面的薄平晶圆。
晶锭切割晶圆的工艺是半导体制造过程中至关重要的一环，它直接影响到最终晶圆的质量和产量。
2.2.1 准备阶段
晶锭在切割之前需要彻底清洗，以去除表面杂质和污染物。通常使用蜡或其他固定剂将晶锭固定在支架上，以确保切割过程中的稳定性。
2.2.2 切割阶段
切割晶圆通常使用金刚石线锯或内圆锯。金刚石线锯使用涂有金刚石颗粒的线，内圆锯则是内圆镀有金刚石的薄片。设置切割速度、线张力和切割液流量等参数。这些参数对切割质量有很大影响，需要根据晶锭的材质和尺寸进行优化切割过程金刚石线锯切割：金刚石线在高速度下旋转，并在切割液冷却和润滑作用下，通过往复运动切割晶锭。切割液通常是水基或油基，用来冷却和带走切割产生的碎屑内圆锯切割：内圆锯切割原理与线锯类似，但其通过旋转的内圆薄片切割晶锭。切割精度和速度相对较高，适用于高质量晶圆的切割2.2.3 切割后处理
去除固定剂：切割完成后，需要去除晶锭固定所用的蜡或固定剂。通常通过加热熔化或溶剂溶解的方式去除清洗晶圆：晶圆切割后表面会有残留切割液和碎屑，需要通过超声波清洗等方法彻底清洗检测和分类：对切割后晶圆进行检测，包括厚度、平整度、表面缺陷等参数。根据检测结果进行分类，合格的晶圆进入下一工序，不合格的进行返工或废弃处理。2.2.4 抛光和刻蚀（视需要）
初步抛光：为获得平整光滑的表面，部分晶圆切割后需进行初步抛光化学机械抛光（CMP）：高精度晶圆还需要进行CMP，以进一步改善表面质量和平整度边缘刻蚀：有些工艺需要对晶圆边缘进行刻蚀处理，以防止边缘崩裂和提高晶圆机械强度其中，线锯有很多种，包括手动或自动的，支持单线或多线切割的，单向或双向切割的，并安装在不同尺寸的轮毂上具有不同主轴旋转速度。通过适当的工具选择和参数优化，晶圆切割工可以确保晶圆的几何形状适合进一步加工。
在晶圆制备过程中，主要挑战包括精度控制和材料损耗 。高精度的切割需要保持刀具稳定和均匀进刀，以避免微小裂纹和缺陷。此外，切割速度和刀具磨损平衡也至关重要，过快或过慢都可能影响切片质量。同时，切片过程中产生的材料损耗和边缘碎裂会导致资源浪费和成本增加，需要通过优化工艺来最小化。温度控制和振动也是潜在问题，可能会影响切割的平滑度和整体质量。
2.3 光刻和图形化
光刻是制造过程中一个至关重要的光学工艺，用于在单个晶圆表面创建复杂的电路图案。这是通过将晶圆涂覆上光敏材料（称为光刻胶），然后通过包含所需图案的掩模，以深紫外线（DUV）或极紫外线（EUV）曝光来实现的。曝光的光刻胶发生化学变化，使其能够选择性地去除。它留下的图形层作为后续处理步骤（如蚀刻和沉积）的保护层。
EUV极紫外光刻（Extreme Ultra-Violet）是新一代的光刻技术，使用13.5nm波长的极紫外光。由于其光刻精度可达几纳米，EUV光刻对光束的集中度要求极为严格，这相当于用手电筒照射到月球上的光斑不超过一枚硬币的大小。用于反射的镜子长度为30cm，而表面起伏不得超过0.3nm，这相当于从北京到上海的铁轨起伏不超过1mm。每台EUV光刻机重达180吨，由超过10万个零件组成，运输需要40个集装箱，安装和调试时间超过一年。
光刻是半导体制造过程中至关重要的一步，因为它能够在晶圆表面创建复杂的电路图案。这些图案构成了半导体器件中各种组件和结构的基础。在本节中，我们将讨论光刻过程的关键要素，包括光刻胶涂布、掩模对准、曝光和显影。
2.3.1 光刻胶涂布
在光刻过程开始之前，必须在晶圆上涂上一层薄薄的感光材料，称为光刻胶。光刻胶通常使用旋涂工艺涂布，即在晶圆高速旋转的同时，将少量光刻胶沉积到其表面。离心力确保光刻胶均匀扩散，形成均匀涂层。光刻胶涂层的基本功能是通过化学过程失去抗性并创建图案。
光刻胶主要有两种类型：正性和负性。正性光刻胶在曝光后变得更容易溶解，而负性光刻胶在曝光后变得更难溶解。光刻胶的选择取决于所制造半导体器件的具体要求。
2.3.2 掩模对准
在涂布光刻胶后，使用光掩模将所需的图案转移到晶圆上。光掩模是一块带有不透明材料（如铬）图案层的玻璃或石英板，用于阻挡光的透过。使用专用工具（称为掩模对准器或步进器）仔细对准晶圆和光掩模，确保图案准确地定位在晶圆表面。
2.3.3 曝光
在放置好光掩模后，晶圆会暴露在紫外光下，紫外光通过光掩模透明区域并照射到光刻胶上。紫外光在光刻胶的暴露区域引发化学反应，改变其溶解性。对于正性光刻胶，暴露区域变得更易溶解；对于负性光刻胶则变得更难溶解。
曝光过程可以使用各种光源进行，例如汞蒸气灯或准分子激光器 。通过浸没光刻等技术，可以进一步优化，将晶圆和光掩模浸入液体介质中以提高图案传输的分辨率。
2.3.4 显影
曝光后，将晶圆浸入显影液中，显影液选择性地去除光刻胶中可溶解的区域，以显露出下面的图案层。对于正性光刻胶，曝光区域被去除；对于负性光刻胶，未曝光区域被去除。然后将晶圆冲洗并干燥，留下一个精确的光刻胶图案层，作为后续制造步骤（如蚀刻或沉积）的模板。
总之，光刻是半导体制造过程中至关重要的一步，能够在晶圆表面创建复杂的图案和结构。通过精心控制光刻胶的应用、掩模对准、曝光和显影过程，制造商可以实现高分辨率的图案转移，这是生产先进半导体器件所必需的。
2.4 刻蚀和沉积
刻蚀和沉积是制造半导体器件过程中不可或缺的两大工艺。 刻蚀通过湿化学工艺或等离子体工艺，有选择性地从晶圆上去除材料，从而创建复杂的三维结构，如晶体管和互连。沉积则是将薄层材料添加到晶圆表面的过程。沉积技术包括化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD），可以用来沉积各种材料，包括金属、绝缘体和半导体。
2.4.1 刻蚀
这是半导体制造过程中必不可少的一步，它涉及选择性地从晶圆上去除材料，以创建所需的结构和特征。此过程用于定义各种组件的形状，例如晶体管、电容和后道互连等，通过去除未掩盖晶圆区域。在本节中，我们将讨论蚀刻的关键考虑内容，包括湿法刻蚀、干法刻蚀以及刻蚀选择性和均匀性。
干法刻蚀在半导体刻蚀中占据了主导地位，市场占比高达95%。其主要优势在于能够实现各向异性刻蚀，即刻蚀时仅垂直方向的材料被去除，而横向材料不受影响，从而保证了细小图形的保真性 。相比之下，湿法刻蚀由于刻蚀方向难以控制，在先进制程中容易导致线宽减小，甚至损坏电路，进而降低芯片品质。
目前，半导体制造中广泛采用多重模板工艺，即通过多次沉积和刻蚀工艺来实现所需的特征尺寸。例如，14nm制程需要进行64次刻蚀工艺，比28nm制程增加了60%；而7nm制程所需的刻蚀步骤高达140次，比14nm制程增加了118%。
a. 湿法刻蚀
湿法刻蚀是一种化学过程，它将晶圆浸入液体蚀刻剂溶液中，刻蚀剂与暴露材料反应，溶解并去除它。刻蚀剂的选择取决于被蚀刻材料以及所需的刻蚀速率和选择性。湿法刻蚀通常是各向同性的，即在所有方向上均匀去除材料，这可能导致特征的下切，并限制蚀刻结构的分辨率。
b. 干法刻蚀
干法刻蚀是一种气相过程，利用等离子体撞击晶片表面所产生的物理作用，或等离子体与晶片表面原子间的化学反应，或者两者的复合作用来去除晶圆表面的材料。干法刻蚀技术有多种类型包括：
反应离子刻蚀（RIE）： 反应离子刻蚀结合了化学反应和离子轰击来蚀刻材料。晶圆被放置在真空室中，并暴露于由反应气体混合物产生的等离子体中。等离子体中的反应性物质与暴露的材料反应，而离子加速朝向晶圆并物理移除反应产物。
深反应离子刻蚀（DRIE） ：DRIE是RIE的变种，专门用于高纵横比的硅刻蚀。它利用交替的沉积和刻蚀步骤来实现具有光滑侧壁的深垂直沟槽。
原子层刻蚀（ALE）： ALE是一种先进的刻蚀技术，能够一次性去除一个原子层。通过顺序的自限制反应实现，这提供了对刻蚀深度和轮廓的卓越控制。
c. 刻蚀选择性和均匀性
刻蚀选择性指的是刻蚀过程在去除一种材料的同时不影响另一种材料的能力。高刻蚀选择性对于保护晶圆掩膜区域的完整性和防止损坏底层很重要。刻蚀均匀性指的是整个晶圆表面刻蚀过程的均匀性，这对于确保器件性能的一致性很重要。
总之，刻蚀是半导体制造过程中基本的一步，它能在晶圆表面创建复杂的结构和特征。通过仔细选择适当的刻蚀技术并保持高刻蚀选择性和均匀性，制造商可以生产出高性能和高可靠性的先进半导体器件。
2.4.2 薄膜沉积
该工艺是半导体制造过程中关键的一步，用于在晶片表面上形成薄而均匀的材料层。这些薄膜可以用作绝缘层、导电层或掺杂层，以实现半导体器件的功能。薄膜沉积工艺主要分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两大类。化学气相沉积 (CVD) 是一种沉积技术，通过热能、放电或紫外光照射等化学反应方式，将反应物在晶圆表面形成稳定的固态薄膜。CVD 技术广泛应用于芯片制造过程中，可以用于沉积介电材料、导电材料或半导体材料。与 CVD 不同，物理气相沉积 (PVD) 是一种物理过程，通常使用氩气等气体。在真空环境中，氩离子被加速撞击靶材，导致靶材原子被溅射出来，并以雪片状沉积在晶圆表面。
a. 物理气相沉积（PVD）
PVD 技术通过物理手段将材料从固态或液态源转移到基片表面。常见的 PVD 方法包括：
i. 蒸发沉积（Evaporation Deposition） ：
材料被加热至蒸发或升华，形成蒸气，这些蒸气在基片表面冷凝，形成薄膜。电阻加热、电子束加热和激光加热。ii. 溅射沉积（Sputtering Deposition） ：
通过等离子体轰击靶材，将其原子或分子溅射到基片表面。可以沉积各种材料包括金属、氧化物和氮化物。b. 化学气相沉积（CVD）
CVD 工艺通过化学反应在基片表面形成薄膜。通常在高温下进行，反应气体在基片表面发生化学反应，生成固态薄膜。常见的 CVD 方法包括：
i. 低压化学气相沉积（LPCVD） ：
在低压环境中进行，有助于提高薄膜的均匀性和覆盖性。适用于沉积氧化硅、氮化硅等材料。ii. 等离子增强化学气相沉积（PECVD） ：
利用等离子体来激发和加速化学反应，使沉积在较低温度下进行。常用于沉积硅化物、氮化物和有机薄膜。iii. 大气压化学气相沉积（APCVD） ：
在大气压下进行，工艺简单但薄膜均匀性较低。适用于需要较低成本的大规模应用。c. 其他薄膜沉积技术
除了 PVD 和 CVD，还有一些特定的薄膜沉积技术：
分子束外延（MBE） ：通过在高真空下直接将原子或分子束沉积到基片上，形成超薄和高质量的晶体薄膜。适用于高精度和高质量的外延生长。
原子层沉积（ALD） ：通过交替暴露基片于不同的反应气体，实现原子层级的精确控制。适用于需要非常精确厚度控制的薄膜。旋涂（Spin Coating） ：利用高速旋转将液态材料均匀分布在基片上，然后通过热处理形成薄膜。常用于制造光刻胶层和某些有机薄膜
电化学沉积（ECD） ：ECD，也称为电镀，主要用于铜互连的沉积。它涉及通过施加电流将溶液中的金属离子还原到晶圆表面。
2.4.3 总结
不同的薄膜沉积工艺有各自的优缺点和应用场景。在半导体制造中，选择合适的沉积工艺取决于具体的器件要求、材料特性以及工艺控制的精度。PVD 和 CVD 是最常用的两大类，但其他技术如 MBE 和 ALD 也在特定应用中扮演着重要角色。
2.5 化学机械抛光
在沉积之后，晶圆会经过一系列的抛光步骤以创建光滑、镜面般的表面。这一点非常重要，因为任何表面缺陷或污染物都可能会对最终半导体器件的性能和可靠性产生不利影响。抛光过程通常结合了化学和机械技术，例如化学机械平坦化（CMP）。该过程使用含有研磨颗粒和化学反应剂的浆料，以受控的方式从晶圆表面去除材料。
2.5.1 CMP工艺的目的
主要是实现晶圆表面的全局平坦化，为后续的光刻和刻蚀工艺提供平整的基底。这对于多层互连结构和细微线宽技术尤为重要。CMP广泛应用于以下方面：
平坦化氧化层（如氧化硅）平坦化金属层（如铜、铝）平坦化多晶硅层2.5.2 CMP工艺的基本原理
CMP结合了化学蚀刻和机械研磨两种技术，其原理可概括为：
化学反应 ：抛光液中的化学成分与待抛光材料发生化学反应，生成容易去除的化合物或软化材料表面机械研磨 ：利用抛光垫和抛光液中的磨粒对材料进行机械磨削，去除反应生成的化合物及材料表面2.5.3 CMP工艺的组成部分
抛光液（Slurry） ：包含氧化剂、络合剂、腐蚀抑制剂、pH调节剂和磨粒等成分，在化学和机械两个方面都起到重要作用抛光垫（Polishing Pad） ：安装在旋转的抛光盘上，具有一定的硬度和弹性，可以有效地配合抛光液进行材料去除抛光机（Polishing Machine） ：包括旋转盘、晶圆夹具和抛光液分配系统。抛光机控制抛光的压力、速度和时间2.5.4 CMP工艺步骤
晶圆装载 ：将待抛光晶圆固定在抛光机的晶圆夹具上
抛光液分配 ：抛光液均匀分布在晶圆和抛光垫之间
抛光 ：通过抛光机施加适当压力和旋转速度，进行抛光。化学成分软化材料表面，机械磨粒去除软化材料
清洗 ：抛光完成后，晶圆需要经过清洗去除残留的抛光液和磨粒
检查 ：使用光学显微镜或其他检测设备检查抛光效果，确保表面平坦度和材料去除量符合要求
2.5.5 关键参数与控制
CMP工艺中关键参数需要精确控制，以确保抛光效果和工艺稳定性：
抛光压力 ：过高的压力可能导致晶圆破损，过低的压力则抛光效率低旋转速度 ：包括抛光盘和晶圆的旋转速度，影响抛光的均匀性和速率抛光液配方 ：化学成分、磨粒浓度和pH值等直接影响化学反应速率和机械去除效率抛光时间 ：需根据材料去除量和表面平坦度要求进行精确控制2.5.6 CMP工艺的挑战与改进
CMP工艺面临一些挑战，如抛光均匀性、材料选择性、表面损伤等。为了克服这些问题，业界不断进行技术改进：
优化抛光液配方 ：开发新型抛光液，提升选择性和去除速率改进抛光垫材料 ：使用更耐用、性能更好的抛光垫，改善抛光效果自动化和智能控制 ：引入实时监控和反馈控制系统，提高工艺稳定性和一致性总之，CMP工艺在半导体制造中扮演着至关重要的角色，随着技术的进步，其应用范围和工艺效果也在不断提升。
2.6 清洗工艺
抛光后，必须彻底清洗晶圆以去除任何残留的颗粒、污染物或化学残留物。通常使用湿法和干法清洗技术的组合，如超声波清洗和等离子清洗。超声波清洗涉及将晶圆浸入清洗溶液中并施加超声波振动。另一方面，等离子清洗使用高能等离子体去除晶圆表面的污染物。
半导体工艺中的清洗工艺是保证晶圆表面洁净、去除杂质和污染物关键步骤。清洗工艺贯穿整个半导体制造，具体步骤和方法包括以下几种：
a. RCA清洗
RCA-1清洗 （去除有机污染物）：使用氨水、过氧化氢和去离子水的混合溶液。这个步骤主要去除晶圆表面的有机污染物、颗粒和金属离子。RCA-2清洗 （去除金属离子）：使用盐酸、过氧化氢和去离子水的混合溶液。主要去除金属离子和一些难以去除的无机污染物。b. Piranha清洗 使用硫酸和过氧化氢的混合溶液。Piranha清洗非常有效地去除有机物和表面污染物，常用于初步清洗。
c. HF清洗（氢氟酸清洗） 使用稀释氢氟酸溶液，主要用于去除氧化层和一些硅表面污染物。
d. Megasonic清洗 利用超声波（通常在MHz范围内）产生的空化效应，能够高效地去除微小颗粒和其他污染物，适用于敏感的表面清洗。
e. 气相清洗 使用气体或气溶胶进行清洗，典型方法包括使用臭氧和过氧化氢蒸汽。此方法适用于去除一些特定的污染物，并且对表面损伤较小。
f. 喷淋清洗 通过高压喷淋去离子水或清洗液体来清洗晶圆表面，通常与旋转装置结合使用以增加清洗效果。
g. 化学机械抛光（CMP）后的清洗 CMP过程后，需要进行严格的清洗以去除抛光后的残留物和颗粒。通常使用氨水和过氧化氢的混合溶液。
h. 去离子水冲洗和干燥 最后的步骤通常是使用高纯度的去离子水进行冲洗，然后通过旋转干燥或其他干燥技术（如Marangoni干燥）进行干燥，以避免水渍和斑点的形成。
总之，晶圆准备是半导体制造过程中关键的一步，因为它为制造高质量的电子器件奠定了基础。通过仔细控制晶体生长、晶圆切割、抛光和清洗过程，制造商可以确保其晶圆满足生产可靠、高性能半导体器件所需的严格要求。
2.7 掺杂和离子注入
掺杂和离子注入是制造过程中的关键步骤，因为它们可以在器件中创建n型和p型半导体区域。掺杂涉及将杂质或掺杂剂引入半导体材料中，从而显著改变其电学特性。这些杂质包括三价或五价杂质。常见的引入掺杂原子的方法有扩散层注入、加热半导体材料和离子注入。离子注入是最常见的掺杂技术，涉及用离子束轰击晶圆，使这些离子嵌入到半导体材料中，从而创建所需的n型或p型区域。
掺杂是半导体制造过程中关键的一步，它涉及向半导体材料中有意引入杂质（称为掺杂剂），以修改其电学特性。掺杂剂可以创造出自由电子的过剩（n型掺杂）或电子的缺乏（称为空穴，p型掺杂），这些对于形成晶体管和二极管等半导体器件至关重要。一些n型五价杂质包括磷、锑和砷。而硼、铝、镓和铟则是一些三价p型杂质。在本节中，我们将讨论掺杂的主要技术，包括离子注入和扩散，以及精确掺杂控制的重要性。
a. 离子注入
离子注入是一种广泛使用的掺杂技术，涉及将掺杂离子直接插入半导体材料中。该过程涉及离子化所需的掺杂物质，使用电场加速离子，并将它们引导至晶圆表面。高能离子穿透晶圆并嵌入晶格中，改变材料的电学特性。其优点包括：
对掺杂浓度和深度的精确控制晶圆表面均匀的掺杂分布低温加工，降低了晶圆损坏的风险
然而，离子注入也会对晶格造成损伤，必须通过退火过程进行修复。
b. 扩散
扩散是另一种常见的掺杂技术，它依赖于在高温下通过半导体材料中的掺杂原子移动。在此过程中，晶圆被放置在受控环境中，如扩散炉，并暴露于掺杂原子的源。掺杂原子扩散到晶圆中，形成浓度梯度，从而决定材料的电特性。
扩散具有几个优点，包括能够形成浅结和同时掺杂多个晶圆。然而，它通常不如离子注入精确，并且可能导致晶圆表面上掺杂物分布不均。
c. 精确的掺杂控制
准确控制掺杂过程对于实现期望的电特性和半导体器件的性能特性至关重要。掺杂浓度、分布和结深等因素会显著影响器件特性，如阈值电压、载流能力和开关速度。因此，制造商必须仔细控制掺杂过程，以确保器件符合严格的性能和可靠性要求。
总之，掺杂是半导体制造中的基本过程，它使得创建具有定制电特性的半导体器件成为可能。通过仔细选择适当的掺杂技术，如离子注入或扩散，并精确控制掺杂过程，制造商可以生产出满足现代电子应用需求的高性能半导体器件。
2.8 金属化和互连
金属化和互连是半导体器件的重要组成部分，提供了连接集成电路中各个元素的路径。这些连接使晶体管、电阻、电容和晶圆上的其他组件之间的电信号和电力传输成为可能。在本节中，我们将讨论金属化和互连的关键方面，包括材料选择以及缩放和性能相关的挑战。
金属化是指在晶圆表面沉积金属层，作为器件各部分之间的电气连接。在创建p型或n型区域后，金属化过程通过导电材料确保内部电路之间的电气连接。这些金属层可以通过多种技术沉积，如溅射或电化学沉积（ECD）。然后对金属层进行图案化和蚀刻，以形成所需的互连结构。
2.8.1 材料选择
金属化和互连材料选择至关重要，因为它直接影响半导体器件的性能和可靠性。常用互连材料包括铝、铜和钨，它们具有低电阻率、良好的附着力和与底层半导体材料的兼容性。
由于铜相对于铝具有更低的电阻率和更高的抗电迁移性，铜已成为许多先进半导体器件的首选材料。然而也带来了若干可靠性问题。
首先，铜容易在高温下发生电迁移，导致导线断裂或短路。铜与其他材料的界面可能产生扩散问题，导致元器件性能劣化。此外，铜在腐蚀和氧化环境中易于受损，需要稳定的钝化层保护，这增加了制造工艺的复杂性。总之，铜互连的可靠性问题主要集中在电迁移、界面扩散和化学稳定性上。
2.8.2 缩放和性能挑战
随着半导体器件的尺寸继续缩小，金属化和互连在器件性能和可靠性方面变得越来越关键。缩小特征尺寸会导致电阻和电容增加，导致功耗增加、信号延迟和潜在的可靠性问题，如电迁移和应力引起的空洞。
然而，芯片尺寸的减小一直是电子行业的一个趋势。根据摩尔定律，芯片上的晶体管数量每两年翻一番。随着这种缩小，半导体现在已经达到了处理隧穿等量子效应的微小尺寸。在这种效应中，低能量粒子可以在低于阈值电压的情况下穿过势垒电位。
为了应对这些挑战，研究人员正在探索新材料，如石墨烯和碳纳米管，它们可能具有提高电性能和减少功耗的潜力。此外，沉积技术的进步和低介电常数材料的使用有助于减轻缩放对互连性能的影响。
总之，金属化和互连是半导体器件的基本组成部分，提供了使集成电路中各个元素之间的信号和电力传输成为可能的电连接。通过仔细选择适当的材料、沉积技术，并解决与缩放相关的挑战，制造商可以继续推动半导体器件性能和集成的边界。
2.9 钝化和封装
钝化涉及在晶圆表面施加一层薄的绝缘保护层，以保护半导体器件免受环境因素的影响，减少腐蚀、污染和电泄漏的风险。常见的钝化材料包括二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）和聚酰亚胺，它们具有良好的附着力、低湿气渗透性和与底层半导体材料的兼容性。
芯片封装（Chip Packaging）是指将已完成的半导体芯片与其外部环境隔离、保护，并通过特定的接口连接外部电路的技术和工艺。芯片封装在半导体制造中起着至关重要的作用，不仅影响芯片的物理保护和热管理，还直接影响其性能、可靠性和可操作性。
早期的封装设计较为简单，对工具的要求也很低，因为当时没有集成（Integration）的概念。随着系统级封装（SiP）技术的兴起，封装设计变得愈发复杂。如今，随着SiP、先进封装、芯粒（Chiplet）和异构集成等概念在市场上获得越来越高的接受度，封装内集成的复杂度和灵活性也迅速增加，对封装设计的要求亦随之提升。
2.9.2 常见的芯片封装技术类型
通孔封装：早期的电子设备和一些需要高可靠性的工业应用表面贴装技术（SMT）：现代电子产品，如手机、电脑和消费电子产品芯片级封装（Chip-Scale Package, CSP）：移动设备和高性能计算球栅阵列封装（Ball Grid Array, BGA）：高性能和高密度集成电路，如微处理器和图形处理器堆叠封装（Stacked Package / Package-on-Package, PoP）：移动设备和消费电子产品系统级封装（System in Package, SiP）：复杂的电子系统，如无线通信模块和传感器系统2.9.3 常见的先进封装工艺
系统级封装（System-in-Package, SiP）：将多个芯片封装在一个单一的封装体内，各个芯片之间通过封装内的互连实现连接。这种技术可以在不改变单个芯片设计的情况下实现多功能集成，灵活性较高堆叠集成（3D Integration）：将多个芯片垂直堆叠在一起并使用微凸点（Micro Bumps）或硅通孔（Through-Silicon Vias, TSV）进行互连。这种技术可以显著减小封装面积，提高信号传输速度和系统性能晶圆级封装（Wafer-Level Packaging, WLP）：可以实现更小封装尺寸和更好性能，适用于移动设备等对尺寸和功耗要求较高的应用倒装芯片封装（Flip-Chip Technology）：将芯片翻转，使其底部的连接点直接与基板上的焊盘接触。这种方式可以减少信号路径长度，提高电气性能和散热效率中介层互连封装（Interposer Technology）：使用中介层（Interposer）将不同的芯片连接在一起。中介层可以是有源（带有电路）或无源（仅作为连接桥），这种技术能够实现不同技术节点和材料的芯片之间高效互连板级封装（Panel-Level Packaging, PLP）：一种在大尺寸面板上进行封装工艺的方法，能够提高生产效率和降低成本，适用于大规模生产的电子产品总之，先进封装工艺在不断发展，推动着电子产品向更高性能、更小尺寸和更低功耗的方向发展。
2.10 测试和质量控制
测试和质量控制是半导体制造过程中至关重要的方面，以确保最终产品符合性能和可靠性规范。这些过程涉及各种检查、测量和评估技术，以识别和纠正缺陷，改进过程控制，并保持高制造良率。
先进封装验证工具包括电气验证和物理验证。电气验证涵盖了80多条规则，对整个系统进行信号完整性、电源完整性及EMI/EMC等电气方面的检查和验证。物理验证则基于IC验证工具Calibre，整合出专门用于3D先进封装的Calibre 3D STACK工具。随着封装内部集成度和设计复杂度不断提升，对验证工具的要求也随之提高。同时，封装设计与芯片设计的协同度日益增强，呈现出逐渐融合趋势，因此对协同设计的需求也在不断增加。
2.10.1 晶圆检查
半导体晶圆是从圆柱形硅晶体或晶锭中切割出来的。这些圆盘形晶圆的平整度需控制在严格的公差范围内，以确保整个晶圆表面适合集成电路（IC）生产。如果切割后的圆盘几何形状不合规格，则可能需要对晶圆进行再加工。然而，切割只是晶圆加工的第一步，后续步骤如研磨和抛光、薄膜沉积以及光刻都会增加成本，如果晶圆未能满足尺寸规格，将导致大量浪费。
半导体制造商选择基于电容的检测和计量系统来检测半导体晶圆。在晶圆加工过程的前端，这些系统可以测量圆盘几何形状，从而确保这些价值数千美元的晶圆适合进行进一步操作。
晶圆检查是制造过程中识别缺陷（如颗粒、划痕和图案不规则）的关键步骤，这些缺陷可能会影响器件性能和良率。光学显微镜作为一种非破坏性和高通量的检测方法，用于监测此类系统中的缺陷。不断缩小的设计规则和增加的器件深宽比导致了三维（3D）架构缺陷超出传统光学衍射深度极限。这些结构通常具有微米级的高度、10纳米左右的最小关键尺寸。对于这种结构，复杂的纳米光子和等离激元效应可能具有重要价值。
这些检查技术能够早期发现和纠正缺陷，有助于保持高制造良率并减少生产故障器件的风险。
2.10.2 电气测试
电气测试在半导体制造过程的各个阶段进行，以评估器件的性能和功能。一些常见的电气测试方法包括：
参数测试 ：测量关键电气参数，如电压、电流和电阻，以确保器件符合性能规范
功能测试 ：在特定工作条件下（如温度和电压）测试集成电路的功能，以确保其正常运行
老化测试 ：在加速应力条件下（如高温和电压）操作器件，以识别潜在的可靠性问题并淘汰早期故障
这些测试方法有助于确保最终的半导体器件符合其性能和可靠性要求，适用于预期的应用。
2.10.3 可靠性评估
可靠性评估是贯穿整个半导体制造过程的持续过程，旨在评估和提高器件的长期性能和稳定性。一些常见的可靠性评估技术包括：
加速寿命测试 ：在极端应力条件下（如高温、湿度和电压）操作器件，以识别潜在的失效机制并估算其寿命
失效分析 ：系统性调查失败的器件，找出失效的根本原因，并采取纠正措施以改进制造过程和器件可靠性
统计过程控制 ：监控和分析制造数据，识别趋势、变化和潜在的过程问题，从而持续改进制造过程
通过实施全面的测试和质量控制流程，半导体制造商可以确保其器件符合当今严格应用的性能和可靠性要求，同时推动制造效率和良率的持续改进。
2.11 结论
半导体制造过程是一个复杂且精密的步骤序列，将原材料转化为高度先进的集成电路。这个过程涉及许多关键阶段，包括晶圆制备、光刻、蚀刻、掺杂、金属化、钝化、封装和测试。随着材料、技术和设备的不断进步，半导体行业继续突破创新和规模的界限，使得电子设备越来越小、更强大、更高效。
在本文中，我们全面介绍了半导体制造过程，重点介绍了每个阶段的关键方面、制造商面临的挑战以及应对这些挑战的策略。通过理解半导体制造背后的基本原理和技术，我们可以欣赏到驱动电子工业快速进步并推动数字革命的工程和创新壮举，这些革新已经改变了我们的世界。
2.12 关于半导体制造过程的常见问题解答
问题1：为什么在半导体制造中使用硅晶圆？
答：硅晶圆是半导体制造中最常见的基板材料，因其优异的电气性能、丰富的可用性、电导率和相对较低的成本。硅还与各种制造工艺高度兼容，并且可以容易地通过掺杂杂质来改变其电气特性。
问题2：光刻在半导体制造中起什么作用？
答：光刻是一种通过掩模将图案转移到晶圆上的关键步骤。它涉及使用光敏化学品和紫外光，将复杂的图案精确地转移到晶圆表面上，包括晶体管、互连和其他组件的各层。
问题3：缩小半导体器件尺寸主要面临哪些挑战？
答：随着半导体器件尺寸的不断缩小，制造商面临着多个挑战，包括需要更先进的图案化技术、更薄的层和更高密度的互连。此外，较小的器件通常会产生更多热量，要求在封装设计中改进热管理解决方案。
03结语
半导体制造过程是一系列高度复杂和专业化的步骤，涉及多种技术和工艺。从初始的晶体生长和晶圆制备，到器件的最终封装，每一个阶段都需要细节关注和精确控制，以确保生产出高质量、可靠的电子元件。随着技术的不断进步，半导体制造过程将继续发展，推动电子产业未来更复杂和强大的设备的诞生。
3.1 芯片制造前道工艺（Front-End of Line，FEOL）
指在半导体制造过程中，从硅晶圆到形成基本电路结构的所有步骤。这些步骤通常包括晶圆清洗、薄膜沉积、光刻、刻蚀、离子注入、扩散和氧化等。前道工艺的意义和重要性主要体现在以下几个方面：基础结构的形成 ：前道工艺是芯片制造的起始阶段，其核心任务是形成晶体管等基本电路元件。这些基本元件是后续电路功能实现的基础，如果前道工艺不准确或不完备，将直接影响芯片的整体性能和可靠性。
精度和微缩技术 ：随着摩尔定律的发展，芯片工艺节点不断缩小，要求前道工艺在纳米级别上进行精确控制。例如，7nm、5nm甚至3nm工艺节点的实现，极大依赖于前道工艺的精细化和精确度。这种高精度制造能力是半导体技术进步和芯片性能提升的关键。材料和工艺创新 ：前道工艺涉及大量的材料科学和工艺技术创新。例如，高介电常数材料（high-κ）、金属栅极技术、FinFET结构等新材料和新结构的引入，都需要通过前道工艺来实现。这些创新是提升芯片性能、降低功耗和提升集成度的重要手段。成本和良率管理 ：前道工艺的复杂性和精密性直接影响芯片制造的成本和良率。优化前道工艺，不仅能降低生产成本，还能提高良品率，增加生产效率。高效的前道工艺管理对整个半导体产业链的经济效益具有重要意义。技术竞争力 ：领先的前道工艺技术是半导体企业核心竞争力的重要组成部分。掌握先进的前道工艺技术，可以使企业在激烈的市场竞争中占据优势地位，获得更多的市场份额和技术话语权。
3.2 芯片后道工艺（Back-end of Line, BEOL）
是半导体制造过程中，从晶圆制造到形成最终电路功能的关键阶段。相对于前道工艺（Front-end of Line, FEOL）处理晶圆上形成晶体管和其他有源器件的过程，后道工艺主要涉及金属互连层的构建，确保各个晶体管和组件能够进行电气连接。以下是芯片后道工艺的详细步骤：
介质沉积（Dielectric Deposition） 在完成前道工艺后，首先在晶圆上沉积介质材料，通常是二氧化硅（SiO₂）或其他低介电常数材料。这些材料作为绝缘层，防止金属层之间的电信号干扰。
光刻（Lithography） 光刻过程类似于前道工艺，通过涂覆光刻胶、曝光、显影等步骤，在介质层上形成所需的图案。该图案将用于后续的蚀刻步骤。
蚀刻（Etching） 利用光刻形成的图案作为掩膜，进行蚀刻工艺以去除不需要的介质材料，形成通道或孔洞。这些通道和孔洞将被用来填充金属，形成互连。
金属沉积（Metal Deposition） 通过化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）或电镀等技术，将金属（如铜或铝）沉积到蚀刻好的通道和孔洞中。这些金属通道是芯片的互连线，负责传输电信号。
化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP） 沉积完金属后，需要进行化学机械抛光（CMP）工艺。CMP工艺将多余的金属和不平整的表面抛光，确保金属互连层的平整度和厚度均匀性，为下一层工艺做好准备。
重复多层互连（Multilayer Interconnection） 现代集成电路通常需要多层金属互连，因此上述步骤会多次重复，沉积新的介质层、光刻、蚀刻、金属沉积和CMP，直至形成所需的多层互连结构。
钝化层（Passivation Layer） 最后，为了保护电路，防止环境因素如湿度和灰尘的侵蚀，会在最上层沉积一层钝化层，通常使用氮化硅（Si₃N₄）或其他材料。
封装（Packaging） 完成晶圆上的所有电路和互连结构后，晶圆会被切割成单个芯片（Die），然后进行封装。封装工艺包括将芯片安装在基板上，并通过焊球、凸点等方式实现芯片与外部电路的连接，最终形成完整的集成电路产品。
芯片制造前道工艺是半导体制造的基础和关键，其技术水平直接决定了芯片的性能、成本和市场竞争力。掌握并不断提升前道工艺技术，是推动半导体产业发展的重要驱动力。后道工艺是芯片制造过程中至关重要的一环，通过一系列复杂的工艺步骤，实现了芯片内部各元器件的互连和保护。每一步工艺都需要高度精确的控制，以确保最终产品的性能和可靠性。
光芯片，用光突破计算瓶颈
芯片，又叫作集成电路，在指甲盖大小的空间中，能够包含数十亿的电子元件，形成了极其复杂的电路结构 。芯片被用于数据的处理、存储、控制、通信和感知等各个方面，计算机、手机、汽车等设备都依赖芯片来处理数据，执行算法和运行软件程序。面对各种各样的需求，人们制造出了数十万种芯片。
近期，由中国科学院上海微系统与信息技术研究所（上海微系统所）、瑞士洛桑联邦理工学院组成的合作团队在国际上另辟蹊径，在高性能光子芯片制备领域取得了突破性进展，研发了可批量制造的新型光子芯片 ，相关成果及论文发表在了著名国际期刊《自然》上。
微芯片示意。版权图库图片，转载使用可能引发版权纠纷
众多芯片中，光芯片大不一样
芯片依赖电子 在集成电路中的运行来实现各种复杂的功能，芯片内部存在非常多的导线供电子穿梭。光芯片则是利用光在集成光路中的传输来实现各种复杂的功能 ，光芯片主要由发光器件（产生光），光波导（引导光传播的装置）组成。
光芯片结构示意，条纹结构为光波导组成的光芯片单元。图片来源：VLC Photonics
光波导是光在从一种介质传播到另一种介质时偶尔会发生的全反射现象。比如，当光从水传播到空气时，只要光与介质分界面所成角度到达特定范围，就会发生全反射现象，利用该现象能够制成引导光波前进的结构就叫作光波导。
光线在玻璃当中不断全反射。图片来源：wikipedia
现有芯片的种类和功能已经很完善了，为什么还要用光子芯片来替代传统芯片呢？这是因为芯片的性能已经无法满足人们在高速通信和人工智能方面的需求。
光子芯片的特点
与传统芯片对比，光子芯片如同光纤通信线路对比传统的通信电缆。 光纤能够传输更多的数据量，一根光纤所传输的数据量相当于数十根传统信号电缆 。
光纤传输中的光信号能够在长距离传输时保持较高的质量，相比之下信号电缆需要消耗更多的能量，且信号质量也会下降。光子芯片在传输速度，能耗方面相比于传统的芯片也有很大的优势 。
1.速度快
光的传播速度是自然界中最快的，光在真空中每秒能够传播 299792.458 千。相比之下，电信号在电路中的传输速度大约是光速的三分之二到四分之三，随着电路温度的升高，速度还会下降。
中国网民用户数目多达 10.92 亿，互联网产生了各种软件，使用这些软件所产生的数据量是巨大的。海量数据被上传至软件公司建立的数据中心进行处理，数据中心由众多高性能计算机（又叫服务器）组成，服务器之间需要快速交换大量数据。
把服务器比作水缸，水缸间需要通信芯片作为“水管”，将水缸连接在一起，如果水管太细（通信芯片速度无法满足需求），那么水缸的水就无法及时流入或排出，个别水缸水溢出时，也就发生了服务器崩溃（软件没法用了）。光芯片的出现，能够使得服务器之间以及数据中心与外界进行快速的数据交换。
光通信芯片及其结构显微图。图片来源：参考文献 2
2.能耗低
传统芯片进行运算时，电子在电路中运动会产热，高性能运算芯片的耗电量非常高，目前是制约芯片算力的主要原因。芯片的功耗增加一百倍，性能只能提高十倍，大部分的能量都被用于驱动散热部件。为了散热，有的公司甚至将他们的数据中心建在了海底，利于海水冷却电子设备。
被打捞出来检修的水下数据中心。图片来源：microsoft
当前，训练人工智能大模型也面临着芯片性能和电力消耗的制约，为了解决这一问题，当前有两种思路。 一是光芯片与传统芯片的混合集成，传统芯片作为单个的计算单元，光芯片负责计算单元之间的高速通信桥梁，建立集群运算，有效提高运算速度，同时功耗的增加也在可接受范围内。二是设计制造光计算芯片，突破传统的微电子处理器芯片性能瓶颈。
结语
总而言之，光芯片作为继传统微电子芯片后，信息技术的又一重要支撑，光子芯片在功耗，速度，尺寸等方面都极具潜力 。
从华人科学家、光纤之父高锟在 1966 年提出光纤用于长距离通信的理念，到 1970 年代末光纤开始商业化推广，经历了二十余年，光纤的传输损耗也降低为最初的 1% 。同样地，光子芯片的实用化与商业化势在必行。
参考文献
[1] Wang C , Li Z , Riemensberger J ,et al.Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing[J].Nature, 2024, 629(8013):784-790.
[2] Meister S ,Bülent Franke, Eichler H J ,et al.Photonic Integrated Circuits for Optical Communication[J].Optik & Photonik, 2012, 7(2):59-62.
[3]S.O.Kasap.光电子学与光子学[专著] : 原理与实践 : Optoelectronics and photonics : principles and practices[M].电子工业出版社,2016.
策划制作
出品丨科普中国
作者丨海里的咸鱼 中国科学院长春光机所光学硕士
监制丨中国科普博览
责编丨何通
审校丨徐来、林林
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