芯片制造的六个关键步骤

拓荒号:陈峰 (企业头条)

在智能手机等众多数码产品的更新迭代中,科技的改动悄然发作。苹果A15仿生芯片等尖端芯片正使得更多改造技术成为可能。这些芯片是如何被制造出来的,其中又有哪些关键步骤呢?


芯片设计


智能手机、个人电脑、游戏机这类现代数码产品的强大性能已无需赘言,而这些强大的性能大多源自于那些十分小却又足够复杂的科技产物——芯片。世界已被芯片所包围:2020年,全世界共消费了超越一万亿芯片,这相当于地球上每人具有并运用130颗芯片。但是即便如此,近期的芯片短缺仍然表现出,这个数字还未到达上限。

虽然芯片曾经能够被如此大范围地消费出来,消费芯片却并非易事。制造芯片的过程非常复杂,今天我们将会引见六个最为关键的步骤:堆积、光刻胶涂覆、光刻、刻蚀、离子注入和封装。

1、堆积
堆积步骤从晶圆开端,晶圆是从99.99%的纯硅圆柱体(也叫“硅锭”)上切下来的,并被打磨得极为润滑,然后再依据构造需求将导体、绝缘体或半导体资料薄膜堆积到晶圆上,以便能在上面印制第一层。这一重要步骤通常被称为"堆积"。

随着芯片变得越来越小,在晶圆上印制图案变得愈加复杂。堆积、刻蚀和光刻技术的进步是让芯片不时变小,从而推进摩尔定律不时持续的关键。这包括运用新的资料让堆积过程变得更为精准的创新技术。

2、光刻胶涂覆
晶圆随后会被涂覆光敏资料“光刻胶”(也叫“光阻”)。光刻胶也分为两种——“正性光刻胶”和“负性光刻胶”。

正性和负性光刻胶的主要区别在于资料的化学构造和光刻胶对光的反响方式。关于正性光刻胶,暴露在紫外线下的区域会改动构造,变得更容易溶解从而为刻蚀和堆积做好准备。负性光刻胶则正好相反,受光映照的区域集聚合,这会使其变得更难溶解。正性光刻胶在半导体制造中运用得最多,因其能够到达更高的分辨率,从而让它成为光刻阶段更好的选择。如今世界上有不少公司消费用于半导体制造的光刻胶。

3、光刻
光刻在芯片制造过程中至关重要,由于它决议了芯片上的晶体管能够做到多小。在这个阶段,晶圆会被放入光刻机中(没错,就是ASML消费的产品),被暴露在深紫外光(DUV)下。很多时分他们的精密水平比沙粒还要小几千倍。

光线会经过“掩模版”投射到晶圆上,光刻机的光学系统(DUV系统的透镜)将掩模版上设计好的电路图案减少并聚焦到晶圆上的光刻胶。如之前引见的那样,当光线映照到光刻胶上时,会产生化学变化,将掩模版上的图案印制到光刻胶涂层上。

使曝光的图案完整正确是一项棘手的任务,粒子干扰、折射和其他物理或化学缺陷都有可能在这一过程中发作。这就是为什么有时分我们需求经过特地修正掩模版上的图案来优化最终的曝光图案,让印制出来的图案成为我们所需求的样子。我们的系统经过“计算光刻”将算法模型与光刻机、测试晶圆的数据相分离,从而生成一个和最终曝光图案完整不同的掩模版设计,但这正是我们想要到达的,由于只要这样才干得到所需求的曝光图案。

4、刻蚀
下一步是去除退化的光刻胶,以显现出预期的图案。在"刻蚀"过程中,晶圆被烘烤和显影,一些光刻胶被洗掉,从而显现出一个开放通道的3D图案。刻蚀工艺必需在不影响芯片构造的整体完好性和稳定性的状况下,精准且分歧地构成导电特征。先进的刻蚀技术使芯片制造商可以运用双倍、四倍和基于距离的图案来发明呈现代芯片设计的微小尺寸。

和光刻胶一样,刻蚀也分为“干式”和“湿式”两种。干式刻蚀运用气体来肯定晶圆上的暴露图案。湿式刻蚀经过化学办法来清洗晶圆。

一个芯片有几十层,因而必需认真控制刻蚀,以免损坏多层芯片构造的底层。假如蚀刻的目的是在构造中创立一个空腔,那就需求确保空腔的深度完整正确。一些高达175层的芯片设计,如3D NAND,刻蚀步骤就显得格外重要和艰难。

5、离子注入

一旦图案被刻蚀在晶圆上,晶圆会遭到正离子或负离子的轰击,以调整局部图案的导电特性。作为晶圆的资料,原料硅不是圆满的绝缘体,也不是圆满的导体。硅的导电性能介于两者之间。


芯片加工


将带电离子引导到硅晶体中,让电的活动能够被控制,从而发明出芯片根本构件的电子开关——晶体管,这就是"离子化",也被称为"离子注入"。在该层被离子化后,剩余的用于维护不被刻蚀区域的光刻胶将被移除。

在一块晶圆上制造出芯片需求经过上千道工序,从设计到消费需求三个多月的时间。为了把芯片从晶圆上取出来,要用金刚石锯将其切成单个芯片。这些被称为“裸晶”的芯片是从12英寸的晶圆上分割出来的,12英寸晶圆是半导体制造中最常用的尺寸,由于芯片的尺寸各不相同,有的晶圆能够包含数千个芯片,而有的只包含几十个。

这些裸晶随后会被放置在“基板”上——这种基板运用金属箔将裸晶的输入和输出信号引导到系统的其他局部。然后我们会为它盖上具有“均热片”的盖子,均热片是一种小的扁平状金属维护容器,里面装有冷却液,确保芯片能够在运转中坚持冷却。

一切才刚刚开端

如今,芯片曾经成为你的智能手机、电视、平板电脑以及其他电子产品的一局部了。它可能只要拇指大小,但一个芯片能够包含数十亿个晶体管。例如,苹果的A15仿生芯片包含了150亿个晶体管,每秒可执行15.8万亿次操作。

当然,半导体制造触及到的步骤远不止这些,芯片还要经过量测检验、电镀、测试等更多环节,每块芯片在成为电子设备的一局部之前都要经过数百次这样的过程。
(科技产业责编:陈峰 )
2022年05月26日 14:47[查看原文]