晶圓制造的基礎知識

芯片制造主要分為5個階段：材料制備;晶體生長或晶圓制備;晶圓制造和分揀;封裝;終測。

半導體生產階段

本文主要講述晶圓制造的基礎知識。晶圓制造(wafer fabrication)是在晶圓表面上或表面內制造出半導體器件的一系列生產過程。正文開始前，首先介紹一些晶圓術語，以方便后續理解。

芯片(chip、die)、器件(device)、電路(circuit)、微芯片(microchip)或條碼(bar)：所有這些名詞都是指占大部分面積的微芯片圖形。

劃片線(scribe line、saw line)或街區(street、avenue)：晶圓上用來分隔不同芯片的間隔區。劃片區通常是空白的，但有時也會在間隔區放置對準標記(十字mark)或測試結構(testkey)。

工程試驗芯片(engineering die)和測試芯片(test die)：這些芯片與正式芯片不同，它主要用于對晶圓生產工藝單額電性能測試監控。

邊緣芯片(edge die)：晶圓邊緣殘缺的芯片。這部分芯片占比越高產生的損耗就越大，晶圓尺寸增大可以減小邊緣芯片的比例。

晶圓的晶面(wafer crystal plane)：晶格方向，與器件的方向是相關的。

晶圓定位邊(wafer flat/notche)：分主定位邊(major flat)和副定位邊(minor flat)，如下圖定位邊表示這是一個P型<100>晶相的晶圓。

芯片制造工藝

芯片制造主要根據薄膜工藝、圖形化工藝、摻雜和熱處理4個基本的工藝步驟來生產出特定的器件。

晶圓制造基本工藝

薄膜工藝

薄膜工藝(layering)是在晶圓表面形成薄膜的加工工藝。在芯片制造過程中，需要在晶圓表面形成各種各樣的薄膜。這些薄膜可以是絕緣體、半導體或者半導體，它們由不同材料使用多種工藝技術生長或沉積而成。

薄膜工藝

以下列舉了薄膜制備的工藝分類和工藝與材料的對照表。

薄膜工藝分類

工藝與材料對照表

圖形化工藝

圖形化工藝(patterning)是通過一系列步驟將晶圓表面薄膜的特定部分去除以形成特定圖形的工藝。圖形化工藝的目標是根據設計需要在晶圓上形成尺寸精確的特征圖形，在晶圓上的位置要正確且與其他關聯層的關聯也要正確。圖形化工藝也被廣泛稱為光掩模(photomasking)、掩模(masking)、光刻(photolithography)。

圖形化工藝是4個基本工藝步驟中最關鍵的，其確定了器件的關鍵尺寸。圖形化工藝過程的錯誤可能會導致圖形的歪曲或套準不好，最終對器件的電性能產生影響。圖形化工藝在現代晶圓生產過程中要完成30層或更多。

光刻工藝依靠光刻模板(reticle)和掩模版(mask)將特定圖形轉移至晶圓上。光刻模板可以直接用于進行光刻也可以用來制造掩模版。掩模版就是在玻璃底板表面鍍鉻，進行光刻步驟時光束會穿過未鍍鉻的亮場部分曝光在晶圓上的光刻膠上已達到圖形轉移的目的。

光刻模板和掩模板

光刻模板和掩模板一般由工廠的單獨部分制造或者從外部供應商購買。每個電路都有自己的光刻母版和掩模板。

以下為基本十步圖形化工藝：

光刻十步法工藝

摻雜

摻雜是將特定量的雜質通過薄膜開口引入的晶圓表層的工藝過程。摻雜有兩種工藝方法：熱擴散(thermal diffusion)和離子注入(ion implantation)。熱擴散是在1000℃下，摻雜原子通過擴散化學反應遷移帶暴露的晶圓表面，形成一層薄膜。離子注入是摻雜原子離子化后，被電場加速到很高的速度，從而注入至晶圓表層。

摻雜技術

熱處理

熱處理是將晶圓加熱或冷卻來達到特性結果的工藝步驟。熱處理過程中晶圓沒有增加或減少任何物質。離子注入后會有一步重要的熱處理過程，摻雜原子的注入會造成晶圓損傷，熱處理可以修復損傷，這稱為退火(anneal)，溫度在1000℃左右。金屬導線制程后會有一步熱處理過程以確保金屬連線與晶圓表面緊密熔合從而確保良好的導電性。