摘要

半导体芯片制造包括八大步骤：晶圆制造，晶圆氧化，光刻，刻蚀，薄膜沉积与离子注入，金属布线(互连)，筛选测试(EDS)，封装。其中第二到第七步都是对晶圆进行加工，英文称作Fabrication, 简称Fab。知名的芯片Fab公司有台积电、中芯国际和三星电子等。

▲ 半导体芯片制造八大步骤

一、晶圆制造

首先介绍三个基本的概念：半导体(Semiconductor)是常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。晶圆(Wafer)是指制作半导体芯片所用的基材，为便于制造一般为圆形薄片，所以得名晶圆。集成电路(Integrated Circuit, 缩写为IC)，俗称芯片(Chip)，是将很多半导体电路集成到一个芯片内，以实现各种功能的电子部件。

IC是在晶圆上制造多个电路而产生的，因此晶圆是IC的基础。如果将IC比作披萨，那么晶圆就是饼底，半导体硅就是面粉。

▲ 半导体晶圆制造工艺

晶圆制造(Wafer Manufacturing)过程：

1. 铸锭：硅作为半导体材料使用首先要进行提纯。具体来说就是将硅原料高温溶解，变成高纯度的硅溶液，并使其结晶凝固，这样形成的硅柱叫做锭(Ingot)。

2. 硅锭切片(Wafer Slicing)：为了将圆陀螺模样的锭制成圆盘状的晶圆，需要使用金刚石锯将其切成均匀厚度的薄片。锭的直径决定了晶圆的尺寸，晶圆的尺寸有150mm(6英寸)、200mm(8英寸)、300mm (12英寸)等。晶圆越薄，制造成本越低；晶圆直径越大，一次可生产的芯片数量就越多，因此晶圆的厚度和直径呈逐渐变薄和扩大的趋势。

3. 晶圆表面抛光(Lapping&Polishing)：刚切割后的晶圆表面有瑕疵且粗糙，就像没有穿衣服一样，称为裸晶圆(Bare wafer)。使用抛光液和抛光设备将晶圆表面研磨加工，再通过清洗去除残留污染物，就得到了像镜子一样光滑的晶圆。

▲ 晶圆与威化饼

在进行进一步加工之前，晶圆表面会被整齐分隔成很多小方块，这与威化饼(wafer)表面的格子饰纹非常相似，所以晶圆的英文名就是wafer。而这些小方块被称为晶粒(Die)，这里的die是名词，源于diced(切粒的)。类似于唱(sing)出来的是歌曲(song)，数(count)出来的是点数(count)，那么切(dice)出来的是die。

每个晶粒(Die)都将会被加工成具备完整功能的一个电子组件。概括来说，加工过的晶圆(Wafer)切割得到晶粒(Die)，再经测试和封装后就会得到完整的芯片(Chip，也叫IC)。

二、晶圆氧化

晶圆氧化(Oxidation)是在晶圆表面形成二氧化硅(SiO2)层的过程，是为后续工序“打地基”。二氧化硅主要用作绝缘体、栅极介质和掩膜层，它可以保护晶圆不受化学杂质影响、避免漏电流进入电路、预防离子植入过程中的扩散以及防止晶圆在刻蚀时滑脱。

▲ 形成了氧化层的晶圆

最常用的晶圆氧化工艺是热氧化法，即在800~1200°C的高温下形成一层薄而均匀的硅氧化膜。热氧化法可分为干氧化和湿氧化两种，前者只使用纯氧气，氧化速度慢；后者同时使用氧气和水蒸气，氧化速度快，会形成较厚的膜。

三、光刻

光刻(Photo Lithography)就是利用光线来照射带有电路图形的光罩，从而在晶圆上印制电路平面图案的过程。芯片的集成度越高，电路图案的精细度越高，就越需要更精细的光刻工艺。光刻工艺的成本约占整个晶圆加工成本的30%，光刻机的价格在几百万美元到上亿美元。光刻主要分为涂胶、曝光和显影三个步骤。

1. 准备工作：首先要使用EDA(Electronic Design Automation)软件，如Synopsys, Cadence和Mentor，来设计将要在晶圆绘制的电路图。

▲ 光罩(Photo Mask)

使用铬(Cr)在超高纯度的石英基板上绘制出设计好的电路图，就得到了光罩，也称为掩膜。这个过程相当于制作照片的底片。值得注意的是，为了实现更精细的电路结构，光罩上的图案会比实际电路大很多。在使用时，这些放大的图案会被光学透镜缩小并投影到晶圆上。

2. 涂胶

▲ 对已生产氧化膜的晶圆进行涂胶

涂胶(Photoresist application)是在晶圆表面均匀涂抹一层光刻胶(Photo Resist, 缩写为PR)，使晶圆变得像可以打印照片的相纸一样。为了获得更高质量的微电路图形，PR膜必须薄且均匀，并且对紫外光具有高度敏感性。

3. 曝光

▲ 曝光：在晶圆上绘制电路图

通过步进式光刻机(Stepper)使紫外光穿过包含电路图形的光罩，将电路印在晶圆上的过程叫做“曝光”(Exposure)。

4. 显影

▲ 显影：最终形成电路图形

光刻工艺的最后一个阶段是显影(Development), 类似照片冲洗。具体来说就是在晶圆上喷洒显影液，选择性地去除曝光区或非曝光区，从而形成电路图形。光刻胶(PR)根据其对光的反应方式分为正性或负性两种。曝光过的正性光刻胶会被显影工艺去除，未曝光过的会被保留。负性光刻胶则反之。

显影过程结束后，光刻工艺就完成了。经过各种测量设备和光学显微镜仔细检查图形质量后，合格的晶圆才能进入下一工序。

四、刻蚀

版画艺术创作中的刻蚀指的是先在铜板上涂抹防腐层，然后使用锋利的工具刻画设计，露出铜面，最后把铜板浸入腐蚀性液体，这样暴露的图案会形成凹陷图案，而受防腐剂保护的区域保持原状。

▲ 刻蚀工艺示意图

半导体芯片制造中的刻蚀(Etching)与创作版画的刻蚀类似，即使用刻蚀剂有选择的去除晶圆表面多余的氧化膜的过程。如上图，没有光刻胶保护的氧化膜会被刻蚀剂去除，刻蚀完毕后光刻胶也会被去除，最终得到只由氧化膜构成的电路图形。

根据刻蚀过程中使用的材料，刻蚀分为湿法刻蚀(wet etching)和干法刻蚀(Dry etching, 又称Plasma etching)两种。湿法蚀刻使用化学溶液，而干法刻蚀使用等离子体或者气体。

▲ 湿法刻蚀与干法刻蚀对比

湿法刻蚀具有成本低、刻蚀速度快的优点，但湿法刻蚀具有各向同性的特点，即刻蚀速度在任何方向上都是相同的。这会导致掩膜与刻蚀后的氧化膜不能完全对齐，因此很难处理非常精细的电路图。干法刻蚀成本更高、更复杂，但是可以加工更精细的电路。

结语

以上就是半导体芯片制造的前四大步骤的简要介绍。概括来说，晶圆制造就是准备基材；晶圆氧化就是预处理；光刻是使用光刻胶在晶圆表面画出电路图形；刻蚀则是去除多余的氧化膜和所有的光刻胶，得到只由氧化膜构成的电路图形。下篇文章会介绍后续的薄膜沉积与离子注入，金属布线(互连)，筛选测试(EDS)和封装四大步骤。