芯片制造的6个关键步骤

来源：内容来自ASML阿斯麦光刻，谢谢。

在智能手机等众多数码产品的更新迭代中，科技的改变悄然发生。苹果A15仿生芯片等尖端芯片正使得更多革新技术成为可能。这些芯片是如何被制造出来的，其中又有哪些关键步骤呢？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非常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，全世界共生产了超过一万亿芯片，这相当于地球上每人拥有并使用130颗芯片。然而即使如此，近期的芯片短缺依然表现出，这个数字还未达到上限。尽管芯片已经可以被如此大规模地生产出来，生产芯片却并非易事。制造芯片的过程十分复杂，今天我们将会介绍六个最为关键的步骤：沉积、光刻胶涂覆、光刻、刻蚀、离子注入和封装。

沉积

沉积步骤从晶圆开始，晶圆是从99.99%的纯硅圆柱体（也叫“硅锭”）上切下来的，并被打磨得极为光滑，然后再根据结构需求将导体、绝缘体或半导体材料薄膜沉积到晶圆上，以便能在上面印制第一层。这一重要步骤通常被称为 "沉积"。随着芯片变得越来越小，在晶圆上印制图案变得更加复杂。沉积、刻蚀和光刻技术的进步是让芯片不断变小，从而推动摩尔定律不断延续的关键。这包括使用新的材料让沉积过程变得更为精准的创新技术。

光刻胶涂覆

晶圆随后会被涂覆光敏材料“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材料的化学结构和光刻胶对光的反应方式。对于正性光刻胶，暴露在紫外线下的区域会改变结构，变得更容易溶解从而为刻蚀和沉积做好准备。负性光刻胶则正好相反，受光照射的区域会聚合，这会使其变得更难溶解。正性光刻胶在半导体制造中使用得最多，因其可以达到更高的分辨率，从而让它成为光刻阶段更好的选择。现在世界上有不少公司生产用于半导体制造的光刻胶。

光刻

光刻在芯片制造过程中至关重要，因为它决定了芯片上的晶体管可以做到多小。在这个阶段，晶圆会被放入光刻机中（没错，就是ASML生产的产品），被暴露在深紫外光（DUV）下。很多时候他们的精细程度比沙粒还要小几千倍。光线会通过“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缩小并聚焦到晶圆上的光刻胶。如之前介绍的那样，当光线照射到光刻胶上时，会产生化学变化，将掩模版上的图案印制到光刻胶涂层上。使曝光的图案完全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生。这就是为什么有时候我们需要通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要的样子。我们的系统通过“计算光刻”将算法模型与光刻机、测试晶圆的数据相结合，从而生成一个和最终曝光图案完全不同的掩模版设计，但这正是我们想要达到的，因为只有这样才能得到所需要的曝光图案。

刻蚀

下一步是去除退化的光刻胶，以显示出预期的图案。在"刻蚀"过程中，晶圆被烘烤和显影，一些光刻胶被洗掉，从而显示出一个开放通道的3D图案。刻蚀工艺必须在不影响芯片结构的整体完整性和稳定性的情况下，精准且一致地形成导电特征。先进的刻蚀技术使芯片制造商能够使用双倍、四倍和基于间隔的图案来创造出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。干式刻蚀使用气体来确定晶圆上的暴露图案。湿式刻蚀通过化学方法来清洗晶圆。一个芯片有几十层，因此必须仔细控制刻蚀，以免损坏多层芯片结构的底层。如果蚀刻的目的是在结构中创建一个空腔，那就需要确保空腔的深度完全正确。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困难。

离子注入

一旦图案被刻蚀在晶圆上，晶圆会受到正离子或负离子的轰击，以调整部分图案的导电特性。作为晶圆的材料，原料硅不是完美的绝缘体，也不是完美的导体。硅的导电性能介于两者之间。将带电离子引导到硅晶体中，让电的流动可以被控制，从而创造出芯片基本构件的电子开关——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，剩余的用于保护不被刻蚀区域的光刻胶将被移除。

封装

在一块晶圆上制造出芯片需要经过上千道工序，从设计到生产需要三个多月的时间。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，有的晶圆可以包含数千个芯片，而有的只包含几十个。这些裸晶随后会被放置在“基板”上——这种基板使用金属箔将裸晶的输入和输出信号引导到系统的其他部分。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保护容器，里面装有冷却液，确保芯片可以在运行中保持冷却。

一切才刚刚开始

现在，芯片已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部分了。它可能只有拇指大小，但一个芯片可以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，半导体制造涉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部分之前都要经过数百次这样的过程。

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晶圆｜集成电路｜设备｜汽车芯片｜存储｜台积电｜AI｜封装

芯片制造的六个关键步骤

现代数字设备——如智能手机、PC、游戏机等——是强大的技术产物。而这种强大力量的很大一部分来自微芯片，这些微芯片是最小但最复杂的技术部件之一。2021年，半导体单元的销售量达到创纪录的1.15万亿颗，相当于地球上每人拥有约145颗芯片。然而，尽管它们的普遍存在可能会让人认为生产芯片很简单，但事实上，制造一颗微芯片并非易事。要制造芯片，需要多个工序共同发挥作用。让我们来讨论半导体制造中的六个关键步骤：沉积、光刻胶、光刻、蚀刻、离子注入和封装。

沉积 制造过程从硅晶圆开始。晶圆由99.99%纯硅制成的像香肠形状的硅棒（称为“硅锭”）切割而成，并抛光到极度平滑的状态。在晶圆上沉积导电、绝缘或半导电材料的薄膜，为其上印刷第一层图案做好准备。这个重要步骤通常被称为“沉积”。

随着微芯片结构的“缩小”，在晶圆上形成图案的过程变得更加复杂。沉积、蚀刻和光刻技术的进步促进了这种缩小趋势，并推动了摩尔定律的发展。

光刻胶涂层 然后晶圆会被覆盖上一层光敏涂层，称为“光刻胶”。光刻胶有两种类型：正性和负性光刻胶。正性光刻胶暴露在紫外线下时，结构会发生变化，变得更容易溶解，以便进行蚀刻和沉积。而负性光刻胶暴露在光线下时会聚合，变得更强且难以溶解。由于正性光刻胶的分辨率更高，因此在光刻阶段更常用。

光刻 光刻是芯片制造过程中的关键步骤，它决定了芯片上晶体管的大小。在这一阶段，晶圆被送入光刻机，通过深紫外光（DUV）或极紫外光（EUV）进行曝光。光通过“掩膜版”投射到晶圆上，该掩膜版持有要印刷的图案的蓝图。系统的光学系统将图案缩小并聚焦到光刻胶层上，形成精确的图案。

蚀刻 下一步是去除退化的光刻胶，显现出预期的图案。在蚀刻过程中，晶圆被烘烤并显影，部分光刻胶被冲洗掉，露出开口的3D通道。蚀刻技术必须精确控制，确保不破坏芯片结构的完整性。

离子注入 一旦图案蚀刻完成，晶圆可能会被正离子或负离子轰击，以调节部分图案的电导性能。这一过程称为“离子注入”，用于创造芯片的基本构建块——晶体管。

封装 从设计到生产，一个硅晶圆制作并包含工作芯片的过程涉及数千个步骤，可能需要超过三个月的时间。为了将芯片从晶圆中分离出来，首先使用金刚石锯将晶圆切割成单个芯片。用300毫米的晶圆切割出的这些“裸片”（die）大小不一，具体取决于芯片的用途。一些晶圆上可以包含数千个芯片，而另一些可能只有几十个。

芯片裸片随后会被放置在“基板”上。基板是一种微芯片的底板，它通过金属箔将芯片的输入和输出信号传导到系统的其他部分。为了保持芯片在运行时的冷却效果，顶部还会放置一个“散热器”。这个散热器是一个小的扁平金属保护容器，内部装有冷却解决方案，用于确保芯片在操作过程中保持冷却。

封装与连接 包括Wiliot、Ayar Labs、SPTS Technologies和Applied Materials在内的许多公司参与了微芯片封装业务。

这只是个开始 ，微芯片已经准备好工作，成为智能手机、电视、平板电脑或其他电子设备的一部分。虽然它可能只有拇指大小，但一个芯片可以包含数十亿个晶体管。例如，苹果的A16 Bionic系统级芯片（SoC）包含160亿个晶体管，能够每秒执行17万亿次操作。

当然，半导体制造远不止这些步骤。还有测量和检查、电镀、测试等，每个微芯片都要经过这些过程数百次，才能最终成为设备的一部分。

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