晶圓製造

2021-02-25 功率半導體那些事兒

首先,我們先來了解下晶圓的有哪些部位,以及一些專業叫法。

①晶片(chip or die),指的是在晶圓表面佔絕大部分面積的微晶片圖形;

②工程實驗片(engineering die),這些晶片和正式的器件或電路晶片不同,它包括特殊的器件或電路模塊,用於晶圓生產工藝的電性能測試;

③劃片線(scribe line),這些區域是在晶圓上用來分隔不同晶片之間的間隔區,其通常是空白的,有些公司可能會放置一些對準標記或者其他內容;

④邊緣晶片(edge die),在晶圓的邊緣上的一些殘缺的晶片,由於單個晶片尺寸的增大而造成更多的邊緣浪費,這時候會採用更大直徑的晶圓來降低,這點我們在前面有聊過,更大直徑的晶圓是一大趨勢;

⑤晶圓的晶面(wafer crystal plane),表示晶片下面的晶格結構;

⑥晶圓的定位邊(wafer flat),晶圓有主定位邊和副定位邊,用以區分P/N型以及其晶向。

集成電路晶片種類繁雜,功用也十分廣泛,但是他們都是由為數不多的基本結構(主要為雙極型結構和經書氧化物半導體結構)和生產工藝來製造的。

4種最基本的工藝方法:增層、光刻、摻雜和熱處理。通過大量的工藝順序和工藝變化來製造所需要的晶片。

薄膜工藝

薄膜工藝(layering)是在晶圓表面形成薄膜的加工工藝。在晶圓表面有著許多的薄膜,這些薄膜可以是絕緣體、半導體或者導體,它們由不同的材料組成,使用多種工藝生長或澱積的。

這些主要的工藝技術是生長二氧化矽膜和澱積不同種材料的薄膜,詳見下面:

圖形化工藝

圖形化工藝(patterning)是通過一系列生產步驟將晶圓表面的薄膜的特定部分去除的工藝,晶圓表面會留下帶有微圖形的薄膜

圖形化工藝又稱為光刻(photolithography)或者微光刻(microlithography)等,晶體三極體、二極體、電容器、電阻器和金屬層的各種物理部件在晶圓表面或表層內構成,這些部件是每次在一個掩膜層上生成的,並結合生成薄膜及去除的特定部分,通過圖形化工藝,最終在晶圓上保留所需要的特徵圖形部分。生產尺寸精度和準確性要求非常高,在晶圓表面的位置要正確,而且與其他部位的關聯也要正確,這是個非常嚴格的大工程。實際中的圖形化工藝要完成5層到20層甚至更多層,所以此中環節的汙染問題也需要嚴格把控。

高端的光刻機很難造,那麼什麼是光刻呢?

刻蝕的概念

摻雜

前面我們提到摻雜的作用和必要性,其將特定量的雜質通過薄膜開口引入晶圓表層,有兩種工藝:熱擴散(thermal diffusion)和離子注入(implantation)。

熱擴散是在1000℃左右的高溫下發生的化學反應,晶圓暴露在一定摻雜元素氣態下。氣態下的摻雜原子通過擴散化學反應遷移到暴露的晶圓表面,形成一層薄膜。在晶片應用中,熱擴散又稱為固態擴散,因為晶圓材料是固態的,熱擴散是一個化學反應過程。

離子注入是一個物理反應過程。晶圓被放在離子注入機的一端,摻雜離子源(通常為氣態)在另一端。在離子源一端,摻雜體原子被離子化(帶有一定電荷),被加速到超高速,穿過晶圓表層注入進去。

摻雜--擴散和離子注入

熱處理

熱處理是簡單地將晶圓加熱和冷卻來達到特定結果,在熱處理過程中,雖然會有一些汙染物和水汽從晶圓上蒸發,但在晶圓上沒有增加和去除任何物質。幾個工藝中涉及到的熱處理如下:

在離子注入工藝之後會有一步重要熱處理,摻雜原子的注入所造成的晶圓損傷會被熱處理修復,我們一般被稱為退火,溫度在1000℃左右。金屬導線在晶圓上製成之後會有一步熱處理,為了保持導線良好的導電性和連接性,會在450℃熱處理與晶圓表面緊密熔合。還有就是通過熱處理將晶圓表面的光刻膠溶劑蒸發掉,從而得到精確的圖形。

拋光晶片的製成過程

今天主要就晶圓術語和幾個重要工藝的簡單介紹,可以結合我們之前聊到過的幾個話題來看,希望你們能夠喜歡,Happy Weekend!

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