高逼格手办！整套晶圆片制作工艺讲解带领你进入芯片的内部世界

有了第一块，就有第二块、第三块，我是迷上它了，收不住了。
下面是我购买的另几块晶圆。

前几天机缘巧合有一个机会，弄到了整套的晶圆，把稳是整套的，也便是晶圆加工的全体过程的。
于是乎想给大家展示一下（口水可以尽情流，我看到好东西也一样，哈哈），先给大家科普一下，大神可以略过，小白可以看看，涨知识。
在讲解的过程中我会直接展示这套晶圆的图片。
（以下笔墨大部分来自于百度百科及网上资料，我也是一边找一边学，受益匪浅。
）

晶圆的全体加工过程如下：

详细讲解

1、晶圆

晶圆是制造半导体芯片的基本材料，半导体集成电路最紧张的质料是硅，因此对应的便是硅晶圆。

硅在自然界中以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在于岩石、砂砾中，硅晶圆的制造可以归纳为三个基本步骤：硅提炼及提纯、单晶硅成长、晶圆成型。

首先是硅提纯，将沙石质料放入一个温度约为2000 ℃，并且有碳源存在的电弧熔炉中，在高温下，碳和沙石中的二氧化硅进行化学反应（碳与氧结合，剩下硅），得到纯度约为98%的纯硅，又称作冶金级硅，这对微电子器件来说不足纯，由于半导体材料的电学特性对杂质的浓度非常敏感，因此对冶金级硅进行进一步提纯：将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢进行氯化反应，天生液态的硅烷，然后通过蒸馏和化学还原工艺，得到了高纯度的多晶硅，其纯度高达99.999999999%，成为电子级硅。

接下来是单晶硅成长，最常用的方法叫直拉法（CZ法）。

如图所示，高纯度的多晶硅放在石英坩埚中，并用表面环绕着的石墨加热器不断加热，温度坚持在大约1400 ℃，炉中的气体常日是惰性气体，使多晶硅熔化，同时又不会产生不须要的化学反应。

为了形成单晶硅，还须要掌握晶体的方向：坩埚带着多晶硅熔化物在旋转，把一颗籽晶浸入个中，并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转，同时逐步地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。
熔化的多晶硅会粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不断地成长上去。

因此所成长的晶体的方向性是由籽晶所决定的，在其被拉出和冷却后就成长成了与籽晶内部晶格方向相同的单晶硅棒。
用直拉法成长后，单晶棒将按适当的尺寸进行切割，然后进行研磨，将凹凸的切痕磨掉，再用化学机器抛光工艺使其至少一壁光滑如镜，晶圆片制造就完成了。

单晶硅棒的直径是由籽晶拉出的速率和旋转速率决定的，一样平常来说，上拉速率越慢，成长的单晶硅棒直径越大。
而切出的晶圆片的厚度与直径有关，虽然半导体器件的制备只在晶圆的顶部几微米的范围内完成，但是晶圆的厚度一样平常要达到1 mm，才能担保足够的机器应力支撑，因此晶圆的厚度会随直径的增长而增长。

晶圆制造厂把这些多晶硅融解，再在融液里种入籽晶，然后将其逐步拉出，以形成圆柱状的单晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一颗晶面取向确定的籽晶在熔融态的硅原估中逐渐天生，此过程称为“长晶”。
硅晶棒再经由切段，滚磨，切片，倒角，抛光，激光刻，包装后，即成为集成电路工厂的基本质料——硅晶圆片，这便是“晶圆”。

厂里称这种为“光片”。
下面便是一张光片，比镜子还要亮！

光片制作过程在网上可以搜到视频，大家可以看看，理解一下。

2、光刻

一样平常的光刻工艺要经历硅片表面洗濯烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。

硅片洗濯烘干方法：湿法洗濯+去离子水冲洗+脱水烘焙（热板150～250C,1～2分钟，氮气保护）

涂底方法：a、气相成底膜的热板涂底。
HMDS蒸气淀积，200～250C,30秒钟；优点：涂底均匀、避免颗粒污染；b、旋转涂底。
缺陷：颗粒污染、涂底不屈均、HMDS用量大。

目的：使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性

旋转涂胶方法：a、静态涂胶（Static）。
硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂（原光刻胶的溶剂约占65～85%,旋涂后约占10～20%）；b、动态（Dynamic）。
低速旋转（500rpm_rotation per minute）、滴胶、加速旋转（3000rpm）、甩胶、挥发溶剂。

软烘方法：真空热板，85～120C,30～60秒；

目的：撤除溶剂（4～7%）；增强黏附性；开释光刻胶膜内的应力；防止光刻胶玷污设备；边缘光刻胶的去除光刻胶涂覆后，在硅片边缘的正反两面都会有光刻胶的堆积。
边缘的光刻胶一样平常涂布不屈均，不能得到很好的图形，而且随意马虎发生剥离（Peeling）而影响其它部分的图形。
以是须要去除。

对准

对准方法：a、预对准，通过硅片上的notch或者flat进行激光自动对准；b、通过对准标志（Align Mark），位于切割槽（ScribeLine）上。
其余层间对准，即套刻精度（Overlay），担保图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。

3、溶解（也称曝光）

曝光中最主要的两个参数是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。
如果能量和焦距调度不好，就不能得到哀求的分辨率和大小的图形。
表现为图形的关键尺寸超出哀求的范围。

曝光方法：

a、打仗式曝光（Contact Printing）。
掩膜板直接与光刻胶层打仗。
曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相称，设备大略。
缺陷：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低（只能利用5～25次）；1970前利用，分辨率〉0.5m。

b、靠近式曝光（ProximityPrinting）。
掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为10～50m。
可以避免与光刻胶直接打仗而引起的掩膜板损伤。
但是同时引入了衍射效应，降落了分辨率。
1970后适用，但是其最大分辨率仅为2～4m。

c、投影式曝光（ProjectionPrinting）。
在掩膜板与光刻胶之间利用透镜聚拢光实现曝光。
一样平常掩膜板的尺寸会以须要转移图形的4倍制作。
优点：提高了分辨率；掩膜板的制作更加随意马虎；掩膜板上的毛病影响减小。

在曝光过程中，须要对不同的参数和可能毛病进行跟踪和掌握，会用到检测掌握芯片/控片（Monitor Chip）。

根据不同的检测掌握工具，可以分为以下几种：

a、颗粒控片（Particle MC）：用于芯片上眇小颗粒的监控，利用前其颗粒数应小于10颗；

b、卡盘颗粒控片（Chuck ParticleMC）：测试光刻机上的卡盘平坦度的专用芯片，其平坦度哀求非常高；

c、焦距控片（Focus MC）：作为光刻机监控焦距监控；

d、关键尺寸控片（CriticalDimension MC）：用于光刻区关键尺寸稳定性的监控；

e、光刻胶厚度控片（PhotoResistThickness MC）：光刻胶厚度丈量；

f、光刻毛病控片（PDM，Photo Defect Monitor）：光刻胶毛病监控。

后烘方法：热板，110～130C,1分钟。

目的：

a、减少驻波效应；

b、引发化学增强光刻胶的PAG产生的酸与光刻胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液。

显影方法：

a、整盒硅片浸没式显影（BatchDevelopment）。
缺陷：显影液花费很大；显影的均匀性差；

b、连续喷雾显影（Continuous SprayDevelopment）/自动旋转显影（Auto-rotation Development）。
一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转（100～500rpm）。
喷嘴喷雾模式和硅片旋转速率是实现硅片间溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。

c、水坑（旋覆浸没）式显影（PuddleDevelopment）。
喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状（显影液的流动保持较低，以减少边缘显影速率的变革）。
硅片固定或逐步旋转。
一样平常采取多次旋覆显影液：第一次涂覆、保持10～30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。
然后用去离子水冲洗（去除硅片两面的所有化学品）并旋转甩干。
优点：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度梯度。

显影液：

a、正性光刻胶的显影液。
正胶的显影液位碱性水溶液。
KOH和NaOH由于会带来可动离子污染（MIC，Movable Ion Contamination），以是在IC制造中一样平常不用。
最普通的正胶显影液是四甲基氢氧化铵（TMAH）（标准当量浓度为0.26，温度15～25C）。
在I线光刻胶曝光中会天生羧酸，TMAH显影液中的碱与酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液，而未曝光的光刻胶没有影响；在化学放大光刻胶（CAR，Chemical AmplifiedResist）中包含的酚醛树脂以PHS形式存在。
CAR中的PAG产生的酸会去除PHS中的保护基团（t-BOC），从而使PHS快速溶解于TMAH显影液中。
全体显影过程中，TMAH没有同PHS发生反应。

b、负性光刻胶的显影液。
二甲苯。
洗濯液为乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。

硬烘方法：热板，100～130C（略高于玻璃化温度Tg），1～2分钟。

目的：

a、完备蒸发掉光刻胶里面的溶剂（以免在污染后续的离子注入环境，例如DNQ酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）；

b、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力；

c、进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；

d、进一步减少驻波效应（Standing WaveEffect）。

4、蚀刻

蚀刻技能属于感光化学技能领域，是用光刻堕落加工薄形精密金属制品的一种方法。

中文名蚀刻技能 属于感光化学技能领域目的光刻堕落加工薄形精密金属制品性子方法技能分类干式蚀刻和湿式蚀刻

产品

其基本事理是利用化学感光材料的光敏特性, 在基体金属基片两面均匀涂敷感光材料采取光刻方法,将胶膜板上栅网产显形状精确地复制到金属基片两面的感光层掩膜上通过显影去除未感光部分的掩膜, 将袒露的金属部分在后续的加工中与堕落液直接喷压打仗而被蚀除, 终极获取所需的几何形状及高精度尺寸的产品技能蚀刻技能

蚀刻一共有两大类：1：干式蚀刻; 2:湿式蚀刻。

最早蚀刻技能是利用特定的溶液与薄膜间所进行的化学反应来去除薄膜未被光阻覆盖的部分，而达到蚀刻的目的，这种蚀刻办法也便是所谓的湿式蚀刻。
由于湿式蚀刻是利用化学反应来进行薄膜的去除，而化学反应本身不具方向性，因此湿式蚀刻过程为等向性，一样平常而言此办法不敷以定义3微米以下的线宽，但对付3微米以上的线宽定义湿式蚀刻仍旧为一可选择采取的技能。

5、清胶

蚀刻完成后，光刻胶的义务发布完成，全部打消后就可以看到设计好的电路图案。

下面的便是清胶完毕没有离子注入的电影

6、离子注入

离子注入法掺杂比较扩散法掺杂来说，它的加工温度低、随意马虎制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。
目前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可短缺的掺杂工艺。

离子是原子或分子经由离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。
可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以掌握离子以一定的能量进入晶元内部达到掺杂的目的。

离子注入到晶元中后，会与硅原子碰撞而丢失能量， 能量耗尽离子就会停在晶元中某位置。
离子通过与硅原子的碰撞将能量通报给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒 子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。

杂质在晶元中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情形取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点毛病，乃至导致衬底由晶体构造变为非晶体构造。

上面的便是已经经由离子注入的电影。

7、电镀铜层

在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。
铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。
电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。

上面三个便是经由电镀涂层的电影。

8、植球

晶圆级植球工艺是将眇小尺寸的焊球（百微米级）直接放置到刻好电路的晶圆上，经由回流焊炉固化后再进行晶圆的切割和芯片的分选，分选出的芯片通过倒封装（Flip Chip）工艺贴合到基板上。
采取晶圆级植球工艺封装的芯片避免了额外的封装并供应了比如高运行频率、低寄生效应和高I/O密度等优点。

把上面这片放大看看

下面是另一片的和放大图

9、切片

在过去三十年期间，切片 (dicing) 系统与刀片 (blade) 已经不断地改进以对付工艺的寻衅和收受接管不同类型基板的哀求。
最新的、对生产率造成最大影响的设备进展包括：采取两个切割 (two cuts) 同时进行的、将超程(overtravel)减到最小的双轴 (dual-spindle) 切片系统，代表性的有日本东精精密的 AD3000T 和AD2000T ；自动心轴扭力监测和自动冷却剂流量调节能力。
重大的切片刀片进步包括一些刀片，它们用于很窄条和 /或较高芯片尺寸的晶圆、以铜金属化的晶圆、非常薄的晶圆、和在切片之后哀求表面抛光的元件用的晶圆。
许多本日哀求高的运用都哀求设备能力和刀片特性两方面都最优化的工艺，以尽可能最低的本钱供应尽可能高的效率。

最近，日本东精精密又向市场推出了非打仗式的激光切割设备 ML200 和 ML300 型切片机制 (The Dicing Mechanism) 。

硅晶圆切片工艺是在“ 后端” 装置工艺中的第一步。
该工艺将晶圆分成单个的芯片，用于随后的芯片接合 (die bonding) 、引线接合 (wirebonding) 和测试工序。

一个迁徙改变的研磨盘 (刀片)完成切片 (dicing) 。
一根心轴以高速，30,000~60,000rpm (83~175m/sec的线性速率 )迁徙改变刀片。
该刀片由嵌入电镀镍矩阵黏合剂中的研磨金刚石制成。

在芯片的分割期间，刀片碾碎根本材料 (晶圆)，同时去掉所产生的碎片。
材料的去掉沿着晶方 (dice)的有源区域之间的专用切割线 (迹道)发生的。
冷却剂 (常日是去离子水 )指到切割缝内，改进切割品质，和通过帮助去掉碎片而延长刀片寿命。
每条迹道 (street) 的宽度 (切口)与刀片的厚度成比例。

碎片(Chipping)

顶面碎片(TSC, top-side chipping) ，它发生晶圆的顶面，变成一个合格率问题，当切片靠近芯片的有源区域时，紧张依赖刀片磨砂粒度、冷却剂流量和进给速率。

背面碎片 (BSC, back-sidechipping) 发生在晶圆的底面，昔时夜的、不规则眇小裂纹从切割的底面扩散开并汇合到一起的时候。
当这些眇小裂纹足够长而引起不可接管的大颗粒从切口除掉的时候，BSC 变成一个合格率问题。

常日，切割的硅晶圆的质量标准是：如果背面碎片的尺寸在 10m 以下，忽略不计。
另一方面，当尺寸大于 25m时，可以看作是潜在的受损。
可是，50m的均匀大小可以接管，示晶圆的厚度而定。

下面的是半切，紧张是为了试刀

下面的是全切，切成一个个小块块

10、封装

在一些古董展览会上，我们常常会看到这样的环境，即用一只玻璃罩罩在古董上。
为了空气不堕落古董，还会采取一些方法使玻璃罩和下面的座垫之间密封。
下面我们借用这个例子来理解晶圆级封装。

晶圆级封装(WLP)便是在其上已经有某些电路微构造（好比古董）的晶片（好比座垫）与另一块经堕落带有空腔的晶片（好比玻璃罩）用化学键结合在一起。
在这些电路微构造体的上面就形成了一个带有密闭空腔的保护体（硅帽），可以避免器件在往后的工艺步骤中遭到破坏，也担保了晶片的清洁和构造体免受污染。
这种方法使得微构造体处于真空或惰性气体环境中，因而能够提高器件的品质。

随着IC芯片的功能与高度集成的需求越来越大，目前半导体封装家当正向晶圆级封装方向发展。
它是一种常用的提高硅片集成度的方法，具有降落测试和封装本钱，降落引线电感，提高电容特性，改良散热通道，降落贴装高度等优点。

11、还有一个技能称作MPW，这也是芯片制造的一项技能。

多项目晶圆（MPW），将多个利用相同工艺的集成电路设计放在同一晶圆片上流片，制造完成后，每个设计可以得到数十片芯片样品。

产生背景

随着制造工艺水平的提高，在生产线上制造芯片的用度不断上涨，一次0.6微米工艺的生产用度就要20-30万元，而一次0.35微米工艺的生产用度则须要60-80万元。
如果设计中存在问题，那么制造出来的所有芯片将全部报废。
为了降落本钱，我们采取了多项目晶圆。

简介

多项目晶圆(Multi Project Wafer，简称MPW)便是将多个利用相同工艺的集成电路设计放在同一晶圆片上流片，制造完成后，每个设计可以得到数十片芯片样品，这一数量对付原型（Prototype）设计阶段的实验、测试已经足够。
而该次制造用度就由所有参加MPW的项目按照芯片面积分摊，本钱仅为单独进行原型制造本钱的5%-10%，极大地降落了产品开拓风险、培养集成电路设计人才的门槛和中小集成电路设计企业在起步时的门槛。

意义

出于经济缘故原由，Foundry更方向于接管量大的晶圆加工做事，多项目晶圆则为小批量生产供应了有效的路子。

多项目晶圆提高了设计效率，降落了开拓本钱，为设计职员供应了实践机会，并促进了集成电路设计成果转化，对IC设计人才的培训，及新产品的开拓研制均有相称的促进浸染。

下面的便是MPW电影

怎么样，过瘾吗？作为一个搞电子的，我深深爱着我的祖国，以前咱们国家的芯片技能一贯很掉队，基本上掉队欧美10-15年，现在国家对半导体家昔时夜力扶持，希望看到国家能用最快的速率赶超上去！
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感激不雅观看！

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作者：大鹏鸟

本文来源：数码之家