芯片制造的6個(gè)關(guān)鍵步驟

在智能手機(jī)等眾多數(shù)碼產(chǎn)品的更新迭代中，科技的改變悄然發(fā)生。蘋果A15仿生芯片等尖端芯片正使得更多革新技術(shù)成為可能。這些芯片是如何被制造出來(lái)的，其中又有哪些關(guān)鍵步驟呢？

智能手機(jī)、個(gè)人電腦、游戲機(jī)這類現(xiàn)代數(shù)碼產(chǎn)品的強(qiáng)大性能已無(wú)需贅言，而這些強(qiáng)大的性能大多源自于那些非常小卻又足夠復(fù)雜的科技產(chǎn)物——芯片。世界已被芯片所包圍：2020年，全世界共生產(chǎn)了超過(guò)一萬(wàn)億芯片，這相當(dāng)于地球上每人擁有并使用130顆芯片。然而即使如此，近期的芯片短缺依然表現(xiàn)出，這個(gè)數(shù)字還未達(dá)到上限。

盡管芯片已經(jīng)可以被如此大規(guī)模地生產(chǎn)出來(lái)，生產(chǎn)芯片卻并非易事。制造芯片的過(guò)程十分復(fù)雜，今天我們將會(huì)介紹六個(gè)最為關(guān)鍵的步驟：沉積、光刻膠涂覆、光刻、刻蝕、離子注入和封裝。

沉積

沉積步驟從晶圓開(kāi)始，晶圓是從99.99%的純硅圓柱體（也叫“硅錠”）上切下來(lái)的，并被打磨得極為光滑，然后再根據(jù)結(jié)構(gòu)需求將導(dǎo)體、絕緣體或半導(dǎo)體材料薄膜沉積到晶圓上，以便能在上面印制第一層。這一重要步驟通常被稱為 "沉積"。

隨著芯片變得越來(lái)越小，在晶圓上印制圖案變得更加復(fù)雜。沉積、刻蝕和光刻技術(shù)的進(jìn)步是讓芯片不斷變小，從而推動(dòng)摩爾定律不斷延續(xù)的關(guān)鍵。這包括使用新的材料讓沉積過(guò)程變得更為精準(zhǔn)的創(chuàng)新技術(shù)。

光刻膠涂覆

晶圓隨后會(huì)被涂覆光敏材料“光刻膠”（也叫“光阻”）。光刻膠也分為兩種——“正性光刻膠”和“負(fù)性光刻膠”。

正性和負(fù)性光刻膠的主要區(qū)別在于材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和光刻膠對(duì)光的反應(yīng)方式。對(duì)于正性光刻膠，暴露在紫外線下的區(qū)域會(huì)改變結(jié)構(gòu)，變得更容易溶解從而為刻蝕和沉積做好準(zhǔn)備。

負(fù)性光刻膠則正好相反，受光照射的區(qū)域會(huì)聚合，這會(huì)使其變得更難溶解。正性光刻膠在半導(dǎo)體制造中使用得最多，因其可以達(dá)到更高的分辨率，從而讓它成為光刻階段更好的選擇?，F(xiàn)在世界上有不少公司生產(chǎn)用于半導(dǎo)體制造的光刻膠。

光刻

光刻在芯片制造過(guò)程中至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了芯片上的晶體管可以做到多小。在這個(gè)階段，晶圓會(huì)被放入光刻機(jī)中（沒(méi)錯(cuò)，就是ASML生產(chǎn)的產(chǎn)品），被暴露在深紫外光（DUV）下。很多時(shí)候他們的精細(xì)程度比沙粒還要小幾千倍。

光線會(huì)通過(guò)“掩模版”投射到晶圓上，光刻機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)（DUV系統(tǒng)的透鏡）將掩模版上設(shè)計(jì)好的電路圖案縮小并聚焦到晶圓上的光刻膠。如之前介紹的那樣，當(dāng)光線照射到光刻膠上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)變化，將掩模版上的圖案印制到光刻膠涂層上。

使曝光的圖案完全正確是一項(xiàng)棘手的任務(wù)，粒子干擾、折射和其他物理或化學(xué)缺陷都有可能在這一過(guò)程中發(fā)生。這就是為什么有時(shí)候我們需要通過(guò)特地修正掩模版上的圖案來(lái)優(yōu)化最終的曝光圖案，讓印制出來(lái)的圖案成為我們所需要的樣子。我們的系統(tǒng)通過(guò)“計(jì)算光刻”將算法模型與光刻機(jī)、測(cè)試晶圓的數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而生成一個(gè)和最終曝光圖案完全不同的掩模版設(shè)計(jì)，但這正是我們想要達(dá)到的，因?yàn)橹挥羞@樣才能得到所需要的曝光圖案。

刻蝕

下一步是去除退化的光刻膠，以顯示出預(yù)期的圖案。在"刻蝕"過(guò)程中，晶圓被烘烤和顯影，一些光刻膠被洗掉，從而顯示出一個(gè)開(kāi)放通道的3D圖案?？涛g工藝必須在不影響芯片結(jié)構(gòu)的整體完整性和穩(wěn)定性的情況下，精準(zhǔn)且一致地形成導(dǎo)電特征。先進(jìn)的刻蝕技術(shù)使芯片制造商能夠使用雙倍、四倍和基于間隔的圖案來(lái)創(chuàng)造出現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)的微小尺寸。

和光刻膠一樣，刻蝕也分為“干式”和“濕式”兩種。干式刻蝕使用氣體來(lái)確定晶圓上的暴露圖案。濕式刻蝕通過(guò)化學(xué)方法來(lái)清洗晶圓。

一個(gè)芯片有幾十層，因此必須仔細(xì)控制刻蝕，以免損壞多層芯片結(jié)構(gòu)的底層。如果蝕刻的目的是在結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建一個(gè)空腔，那就需要確?？涨坏纳疃韧耆_。一些高達(dá)175層的芯片設(shè)計(jì)，如3D NAND，刻蝕步驟就顯得格外重要和困難。

離子注入

一旦圖案被刻蝕在晶圓上，晶圓會(huì)受到正離子或負(fù)離子的轟擊，以調(diào)整部分圖案的導(dǎo)電特性。作為晶圓的材料，原料硅不是完美的絕緣體，也不是完美的導(dǎo)體。硅的導(dǎo)電性能介于兩者之間。

將帶電離子引導(dǎo)到硅晶體中，讓電的流動(dòng)可以被控制，從而創(chuàng)造出芯片基本構(gòu)件的電子開(kāi)關(guān)——晶體管，這就是 "離子化"，也被稱為 "離子注入"。在該層被離子化后，剩余的用于保護(hù)不被刻蝕區(qū)域的光刻膠將被移除。

封裝

在一塊晶圓上制造出芯片需要經(jīng)過(guò)上千道工序，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)需要三個(gè)多月的時(shí)間。為了把芯片從晶圓上取出來(lái)，要用金剛石鋸將其切成單個(gè)芯片。這些被稱為“裸晶”的芯片是從12英寸的晶圓上分割出來(lái)的，12英寸晶圓是半導(dǎo)體制造中最常用的尺寸，由于芯片的尺寸各不相同，有的晶圓可以包含數(shù)千個(gè)芯片，而有的只包含幾十個(gè)。

這些裸晶隨后會(huì)被放置在“基板”上——這種基板使用金屬箔將裸晶的輸入和輸出信號(hào)引導(dǎo)到系統(tǒng)的其他部分。然后我們會(huì)為它蓋上具有“均熱片”的蓋子，均熱片是一種小的扁平狀金屬保護(hù)容器，里面裝有冷卻液，確保芯片可以在運(yùn)行中保持冷卻。

一切才剛剛開(kāi)始

現(xiàn)在，芯片已經(jīng)成為你的智能手機(jī)、電視、平板電腦以及其他電子產(chǎn)品的一部分了。它可能只有拇指大小，但一個(gè)芯片可以包含數(shù)十億個(gè)晶體管。例如，蘋果的A15仿生芯片包含了150億個(gè)晶體管，每秒可執(zhí)行15.8萬(wàn)億次操作。

當(dāng)然，半導(dǎo)體制造涉及到的步驟遠(yuǎn)不止這些，芯片還要經(jīng)過(guò)量測(cè)檢驗(yàn)、電鍍、測(cè)試等更多環(huán)節(jié)，每塊芯片在成為電子設(shè)備的一部分之前都要經(jīng)過(guò)數(shù)百次這樣的過(guò)程。

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