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芯片的制作流程及原理

 


在智能手机等众多数码产品的更新迭代中，科技的改变悄然发生。苹果A15仿生芯片等尖端芯片正使得更多革新技术成为可能。这些芯片是如何被制造出来的，其中又有哪些关键步骤呢？


智能手机、个人电脑、游戏机这类现代数码产品的强大性能已无需赘言，而这些强大的性能大多源自于那些非常小却又足够复杂的科技产物——芯片。世界已被芯片所包围：2020年，全世界共生产了超过一万亿芯片，这相当于地球上每人拥有并使用130颗芯片。然而即使如此，近期的芯片短缺依然表现出，这个数字还未达到上限。

尽管芯片已经可以被如此大规模地生产出来，生产芯片却并非易事。制造芯片的过程十分复杂，今天我们将会介绍六个最为关键的步骤：沉积、光刻胶涂覆、光刻、刻蚀、离子注入和封装。

沉积


沉积步骤从晶圆开始，晶圆是从99.99%的纯硅圆柱体（也叫“硅锭”）上切下来的，并被打磨得极为光滑，然后再根据结构需求将导体、绝缘体或半导体材料薄膜沉积到晶圆上，以便能在上面印制第一层。这一重要步骤通常被称为 "沉积"。

随着芯片变得越来越小，在晶圆上印制图案变得更加复杂。沉积、刻蚀和光刻技术的进步是让芯片不断变小，从而推动摩尔定律不断延续的关键。这包括使用新的材料让沉积过程变得更为精准的创新技术。

光刻胶涂覆


晶圆随后会被涂覆光敏材料“光刻胶”（也叫“光阻”）。光刻胶也分为两种——“正性光刻胶”和“负性光刻胶”。

正性和负性光刻胶的主要区别在于材料的化学结构和光刻胶对光的反应方式。对于正性光刻胶，暴露在紫外线下的区域会改变结构，变得更容易溶解从而为刻蚀和沉积做好准备。负性光刻胶则正好相反，受光照射的区域会聚合，这会使其变得更难溶解。正性光刻胶在半导体制造中使用得最多，因其可以达到更高的分辨率，从而让它成为光刻阶段更好的选择。现在世界上有不少公司生产用于半导体制造的光刻胶。

光刻


光刻在芯片制造过程中至关重要，因为它决定了芯片上的晶体管可以做到多小。在这个阶段，晶圆会被放入光刻机中（没错，就是ASML生产的产品），被暴露在深紫外光（DUV）下。很多时候他们的精细程度比沙粒还要小几千倍。

光线会通过“掩模版”投射到晶圆上，光刻机的光学系统（DUV系统的透镜）将掩模版上设计好的电路图案缩小并聚焦到晶圆上的光刻胶。如之前介绍的那样，当光线照射到光刻胶上时，会产生化学变化，将掩模版上的图案印制到光刻胶涂层上。

使曝光的图案完全正确是一项棘手的任务，粒子干扰、折射和其他物理或化学缺陷都有可能在这一过程中发生。这就是为什么有时候我们需要通过特地修正掩模版上的图案来优化最终的曝光图案，让印制出来的图案成为我们所需要的样子。我们的系统通过“计算光刻”将算法模型与光刻机、测试晶圆的数据相结合，从而生成一个和最终曝光图案完全不同的掩模版设计，但这正是我们想要达到的，因为只有这样才能得到所需要的曝光图案。

刻蚀


下一步是去除退化的光刻胶，以显示出预期的图案。在"刻蚀"过程中，晶圆被烘烤和显影，一些光刻胶被洗掉，从而显示出一个开放通道的3D图案。刻蚀工艺必须在不影响芯片结构的整体完整性和稳定性的情况下，精准且一致地形成导电特征。先进的刻蚀技术使芯片制造商能够使用双倍、四倍和基于间隔的图案来创造出现代芯片设计的微小尺寸。


和光刻胶一样，刻蚀也分为“干式”和“湿式”两种。干式刻蚀使用气体来确定晶圆上的暴露图案。湿式刻蚀通过化学方法来清洗晶圆。

一个芯片有几十层，因此必须仔细控制刻蚀，以免损坏多层芯片结构的底层。如果蚀刻的目的是在结构中创建一个空腔，那就需要确保空腔的深度完全正确。一些高达175层的芯片设计，如3D NAND，刻蚀步骤就显得格外重要和困难。

离子注入


一旦图案被刻蚀在晶圆上，晶圆会受到正离子或负离子的轰击，以调整部分图案的导电特性。作为晶圆的材料，原料硅不是完美的绝缘体，也不是完美的导体。硅的导电性能介于两者之间。

将带电离子引导到硅晶体中，让电的流动可以被控制，从而创造出芯片基本构件的电子开关——晶体管，这就是 "离子化"，也被称为 "离子注入"。在该层被离子化后，剩余的用于保护不被刻蚀区域的光刻胶将被移除。

封装


在一块晶圆上制造出芯片需要经过上千道工序，从设计到生产需要三个多月的时间。为了把芯片从晶圆上取出来，要用金刚石锯将其切成单个芯片。这些被称为“裸晶”的芯片是从12英寸的晶圆上分割出来的，12英寸晶圆是半导体制造中最常用的尺寸，由于芯片的尺寸各不相同，有的晶圆可以包含数千个芯片，而有的只包含几十个。


这些裸晶随后会被放置在“基板”上——这种基板使用金属箔将裸晶的输入和输出信号引导到系统的其他部分。然后我们会为它盖上具有“均热片”的盖子，均热片是一种小的扁平状金属保护容器，里面装有冷却液，确保芯片可以在运行中保持冷却。

一切才刚刚开始


现在，芯片已经成为你的智能手机、电视、平板电脑以及其他电子产品的一部分了。它可能只有拇指大小，但一个芯片可以包含数十亿个晶体管。例如，苹果的A15仿生芯片包含了150亿个晶体管，每秒可执行15.8万亿次操作。

当然，半导体制造涉及到的步骤远不止这些，芯片还要经过量测检验、电镀、测试等更多环节，每块芯片在成为电子设备的一部分之前都要经过数百次这样的过程。


 

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