半导体芯片生产工序简析

    ● 半导体芯片生产工序简析

    要了解芯片的生产工艺，我们需要先知道芯片是怎么被制造出来的。让我们分几个步骤学习芯片的生产过程。

    1、硅提纯

    生产芯片等芯片的材料是半导体，现阶段主要的材料是硅Si，这是一种非金属元素，从化学的角度来看，由于它处于元素周期表中金属元素区与非金属元素区的交界处，所以具有半导体的性质，适合于制造各种微小的晶体管，是目前最适宜于制造现代大规模集成电路的材料之一。

    在硅提纯的过程中，原材料硅将被熔化，并放进一个巨大的石英熔炉。这时向熔炉里放入一颗晶种，以便硅晶体围着这颗晶种生长，直到形成一个几近完美的单晶硅。以往的硅锭的直径大都是200毫米，而芯片厂商正在增加300毫米晶圆的生产。

单晶硅硅锭

    2、切割晶圆

    硅锭造出来了，并被整型成一个完美的圆柱体，接下来将被切割成片状，称为晶圆。晶圆才被真正用于芯片的制造。所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个芯片的内核(Die)。一般来说，晶圆切得越薄，相同量的硅材料能够制造的芯片成品就越多。

ORION 单晶圆清洗系统

    3、影印（Photolithography）

    在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻（Photoresist）物质，紫外线通过印制着芯片复杂电路结构图样的模板照射硅基片，被紫外线照射的地方光阻物质溶解。而为了避免让不需要被曝光的区域也受到光的干扰，必须制作遮罩来遮蔽这些区域。这是个相当复杂的过程，每一个遮罩的复杂程度得用几十个GB数据来描述。

    4、蚀刻（Etching）

    这是芯片生产过程中重要操作，也是芯片工业中的重头技术。蚀刻技术把对光的应用推向了极限。蚀刻使用的是波长很短的紫外光并配合很大的镜头。短波长的光将透过这些石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上，使之曝光。接下来停止光照并移除遮罩，使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光敏抗蚀膜，以及在下面紧贴着抗蚀膜的一层硅。

AMD GlobalFoundries德国德累斯顿工厂光刻区域（驱动之家图片）

    然后，曝光的硅将被原子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，以制造出N井或P井，结合上面制造的基片，芯片的门电路就完成了。

    5、重复、分层

    为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。重复多遍，形成一个3D的结构，这才是最终的芯片的核心。每几层中间都要填上金属作为导体。层数决定于设计时芯片的晶体管布局和晶体管规模，以及通过的电流大小。

    6、封装

    这时的芯片是一块块晶圆，它还不能直接被用户使用，必须将它封入一个陶瓷的或塑料的封壳中，这样它就可以很容易地装在一块电路板上了。封装结构各有不同，但越高级的芯片封装也越复杂，新的封装往往能带来芯片电气性能和稳定性的提升，并能间接地为主频的提升提供坚实可靠的基础。

    7、多次测试

    测试是一个芯片制造的重要环节，也是一块芯片出厂前必要的考验。这一步将测试晶圆的电气性能，以检查是否出了什么差错，以及这些差错出现在哪个步骤（如果可能的话）。接下来，晶圆上的每个芯片核心都将被分开测试。

芯片在通过一次次测试

    由于SRAM（静态随机存储器，芯片中缓存的基本组成）结构复杂、密度高，所以缓存是芯片中容易出问题的部分，对缓存的测试也是芯片测试中的重要部分。

    每块芯片将被进行完全测试，以检验其全部功能。某些芯片能够在较高的频率下运行，所以被标上了较高的频率；而有些芯片因为种种原因运行频率较低，所以被标上了较低的频率。最后，个别芯片可能存在某些功能上的缺陷，如果问题出在缓存上，制造商仍然可以屏蔽掉它的部分缓存，这意味着这块芯片依然能够出售，只是它可能是Celeron等低端产品。

    当芯片被放进包装盒之前，一般还要进行最后一次测试，以确保之前的工作准确无误。根据前面确定的最高运行频率和缓存的不同，它们被放进不同的包装，销往世界各地。