半导体制造全流程详解

半导体制造全流程详解

半导体制造是一个复杂而精细的工艺过程，从硅砂到包含数十亿晶体管的芯片，需要经过多个精密的制造环节。本文将详细介绍半导体制造的全流程，包括晶圆制备、前道工艺（芯片加工）和后道工艺（封装测试）三大阶段的核心步骤。

一、晶圆制备

1. 原材料提纯
   从硅砂（二氧化硅含量≥95%）中提取高纯度硅（99.9999999%以上），通过提拉法将熔融硅制成单晶硅锭，切割成直径200-300mm的薄片（晶圆）。

2. 晶圆表面处理
   切割后的晶圆需研磨、化学刻蚀去除表面缺陷，再经抛光形成纳米级平整度，最后清洗去除残留污染物。

二、前道工艺（芯片加工）

1. 氧化
   在晶圆表面形成二氧化硅（SiO₂）绝缘层，方法包括：

• 干法氧化：纯氧环境，生成薄而致密的氧化层（栅极氧化层常用）。
• 湿法氧化：水蒸气参与，速度快但密度低，用于保护层。

2. 光刻

• 涂胶：旋涂法均匀覆盖光刻胶（正胶受光分解，负胶受光聚合）。
• 曝光：通过掩膜版用紫外光或极紫外光（EUV）将电路图案转移到光刻胶。
• 显影：溶解未曝光区域光刻胶，露出底层氧化膜。

3. 刻蚀

• 湿法刻蚀：化学溶液各向同性刻蚀，成本低但精度有限。
• 干法刻蚀：等离子体各向异性刻蚀（如反应离子刻蚀RIE），适合纳米级精细结构。

4. 薄膜沉积
   交替沉积导电金属（铜、铝）和绝缘介质层（SiO₂、氮化硅），方法包括：

• 化学气相沉积（CVD）：用于均匀薄膜。
• 物理气相沉积（PVD）：如溅射，用于金属层。

5. 掺杂（离子注入）
   通过高能离子束注入改变硅的电学特性（如形成P/N结），后续退火修复晶格缺陷。

6. 互连与研磨
   通过光刻和刻蚀形成多层金属导线连接元件，化学机械抛光（CMP）确保层间平整。

三、后道工艺（封装测试）

1. 晶圆测试
   探针台对晶圆上的每个芯片进行电性测试，标记缺陷单元。

2. 切割与封装

• 切割：金刚石刀片或激光将晶圆分割为单个芯片。
• 封装：引线键合、塑封（环氧树脂）、安装引脚，类型包括QFP、BGA等。

3. 终测与质检
   测试封装后芯片的电气性能、散热及可靠性，剔除不合格品。

关键技术支持

• 超净环境：芯片加工需在Class 1-10级无尘室进行，避免颗粒污染。
• 精密设备：如光刻机（ASML EUV）、刻蚀机（Lam Research）、CMP设备等。
• 材料创新：高介电材料（HKMG）、3D封装技术提升性能。

流程图示意

晶圆制备 → 氧化 → 光刻 → 刻蚀 → 薄膜沉积 → 掺杂 → 互连 → 测试 → 切割 → 封装 → 终测

通过以上流程，一粒沙最终转化为包含数十亿晶体管的芯片，支撑现代电子设备运行。