芯片的制作为什么要用半导体？Wafer晶圆半导体制造工艺

从一堆沙子，到一个精密的芯片，这中间究竟经历了什么环节，各个环节又需要什么样的技术呢？跟着小编一起来学习一下！

1.从砂子到硅片

所谓“半导体”，是一种导电性能介于“导体”和“绝缘体”之间的物质总称。导体能导电，比如铁铜银等金属，绝缘体不导电，比如橡胶。芯片的制作为什么要用半导体？因为半导体的导电与所加电场方向有关，即它的导电是可以有方向性的。比如，给半导体两端加上正电压，它可能就导电；反之，将它两端所加的电压极性反过来，就不导电。而这种性能，可以做成“电子开关”。我们都听说过“计算机做的都是二进制的0-1运算”，这种运算体现在物理层面就是指“高低电位的变化”，高电位代表1，低电位代表0。高低电位在复杂的电路设计下面可以实现复杂的转化，这样表现出来就好像是计算机在做01运算。半导体的这种电学特性可以设计成电子开关，可以很好实现高低电位的转化。

在自然界中，获取成本最低的半导体就是硅。而硅料的提取是熔炼砂子。提到这里可能有朋友想到“光伏电池片用的也是硅片”。没错，生产芯片和生产光伏电池片在硅片制作环节是非常相似的，都是需要先熔炼取硅，然后做切割、研磨等工艺。因此，你可能会看到一些光伏产业链的股票也伴有半导体概念，比如高测股份。

芯片用硅和光伏用硅最大的区别就在于纯度不同。在纯度方面，光伏用单晶硅片的纯度要求硅含量为4N-6N之间（99.99%-99.9999%），但是半导体用单晶硅片在9N（99.9999999%）-11N（99.999999999%）左右，纯度要求最低是光伏单晶硅片的1000 倍。在外观方面，半导体用硅片在表面的平整度，光滑度和洁净程度要比光伏用硅片的要求高。

总结来说，砂子到硅片需要经过熔炼、切片、研磨、蚀刻、抛光等过程，最终形成一片片的晶圆（所谓晶圆，就是圆形的高纯度硅片）。

好了，此时你得到了一片片处理好的高纯度硅片，接下来我们就需要我们需要在晶圆上雕刻电路，形成能用的芯片。在下面的工艺流程中，大致可以分为前端工艺、后端工艺和测封。

 

制造第一阶段：提炼硅锭

沙子：硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，这也是半导体制造产业的基础。

硅熔炼：12英寸/300毫米晶圆级，下同。通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，学名电子级硅(EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的，最后得到的就是硅锭(Ingot)。

100千克，硅纯度99.9999％。

制造第二阶段：硅锭切割

硅锭切割：横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆(Wafer)。

45nm HKMG(高K金属栅极)。

制造第三阶段：光刻

光刻胶(Photo Resist)：图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。

光刻：光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。一般来说，在晶圆上得到的电路图案是掩模上图案的四分之一。

光刻：由此进入50-200纳米尺寸的晶体管级别。一块晶圆上可以切割出数百个处理器，不过从这里开始把视野缩小到其中一个上，展示如何制作晶体管等部件。晶体管相当于开关，控制着电流的方向。现在的晶体管已经如此之小，一个针头上就能放下大约3000万个。

制造第四阶段：光刻胶的使命

溶解光刻胶：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致。

蚀刻：使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。

清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。

制造第五阶段：离子注入

光刻胶：再次浇上光刻胶(蓝色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。

离子注入(Ion Implantation)：在真空系统中，用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时。

清除光刻胶：离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区域(绿色部分)也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。

制造第六阶段：电镀晶圆

晶体管就绪：至此，晶体管已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。

电镀：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)。

铜层：电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。

抛光：将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。

金属层：晶体管级别，六个晶体管的组合，大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来异常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络，形如未来派的多层高速公路系统。

制造第七阶段：晶圆测试

晶圆测试：内核级别，大约10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部，正在接受第一次功能性测试，使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。

晶圆切片(Slicing)：晶圆级别，300毫米/12英寸。将晶圆切割成块，每一块就是一个芯片的内核(Die)。

制造第八阶段：晶圆检测

丢弃瑕疵内核：晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的。

编辑：黄飞