集成电路制造的发展历程

广义的集成电路制造主要包括设计、制造和封装(含测试)叁个方面。‍

集成电路最初的设计方法是全手工设计，如手工画因，人工刻制曝光用的多层掩模等。人工设计仅适用于小规模集成电路。20世纪70 年代，第一代集成电路。计算机辅助设计 (Integrated Circuit Computer Aided Design, ICCAD)系统问世。由于当时的计算机存储量不够大，运算速度也不够快，因此 ICCAD 工具只能简单处理版图级设计问题。20 世纪 70 年代末，出现了份真和自动布局布线工具，提高了集成电路的设计效率。1983年，工作站(Workstation)在市场上锁露头角。有力地支持了 ICCAD 技术的发展，出现了第二代 ICCAD 系统，增加子逻辑级设计功能，20世纪90年代，ICCAD 系统进入第叁代 将行为级设计以硬件描述语言(Hardware Description Language, HDL) 的方式纳入自动化设计的范畴。

进入21 世纪后，集成电路设计向可制造设计 (Design for Manufacturability,DFM)方向发展，其重要技术方向有软硬件协同设计、卫 库、低功耗设计、可靠性设计，以及系统芯片 (System on Chip, SoC)和系统级封装 (Sxstem in Package, SiP)。‍‍

集成电路制造是一个在特定薄膜上制造特定图形的过程。其中的氧化、外延、掺杂(扩散、离子注人)、沉积(物理气相沉积、化学气相沉积)等工艺为薄膜制造工艺，光刻(曝光和刻蚀)工艺为图形制作工艺。

曝光和刻蚀是集成电路完成图形制作的最核心工艺，缩小加工尺寸首先要减小曝光光源的波长。

20世纪 70年代中期以前，曝光光源为汞灯，永灯是一种多波长的光源，其波长范围为 400~700nm。1982 年，曝光光源改进为紫外线 (Ulraviolet, UV)g线(波长为 436nm)和i线(波长为 365nm)。1994 年，曝光光源波长进人深紫外线(DUV)领域，主要为准分子激光 KrF(波长为 248nm)和 ArF(波长为 193nm)。

2003年12月，荷兰 ASML (Advanced Semiconductor Material Lithography) 公司发布了全球首套商用浸没式光刻 (Inmersion Lithogrephy) 设备，将纯净水充满投影物

镜最后一个透镜的下表面与硅片之间，使得曝光光源的有效波长缩短，将 193mm 光刻延伸到 32nm CMOS 技术节点。此外，利用双曝光/成像(Double Exposure/ Double Pattering)技术，将193nm 浸没式光刻技术扩展到了 10n/ n 技术节点。

经过一定图形曝光后的薄膜，还必须去除不需要的部分才能得到所希望的图形，这就是刻蚀工艺。最初的刻蚀技术是湿法刻蚀，由于是各向同性腐蚀，所以对图形尺寸的控制性较差。1980年以后，刻蚀技术进人干法刻蚀的时代，其中包括等离子刻蚀和反应离子刻蚀 (Reactive lon Etching， RIE)，后者是当前主流的刻蚀技术。

当所有的晶体管通过薄膜技术和光刻技术在硅片上制作完成时，还必须采用互连技术将上百万乃至数十亿个晶体管按照所设计的规则连接起来才能形成真正的电路。最初的互连材料是铝，研究表明，0.25μm 工艺(铝导线，Sio₂介质)的情况下，由互连产生的延迟已经超过门电路的延迟。1907 年，IBM 宣布推出了采用铜(电导率为59.6x10⁶S/m) 互连技术的芯片，这就是着名的镶嵌工艺整机或系统是集成电路与最终消费者之问的界面，集成电路只有通过在整机或系统中的应用才能体现其价值;封装是集成电路芯片与整机或系统的界面，只有经过封装后的芯片才能装人系统，并在系统中发挥应有的效用款动的套成电路封装沿用丁晶休管外i (Transistor Ouuline, 10)封装狂式。20世纪00年代中期，双列直括封装 (Double In-line Package， DIP)成为集成电路卦装的主流。20世纪80年代，表面贴装技术 (Sutace Mount Technology，SMT) 得到长足发展，出现丁多种封装形式，如塑料有号线片式载体 ( Plastie Leaded Chip Camrier, PLCC) 封装、塑料四面引线扁平封装 (Plastic Quad Flat Package, POFP) 等。

20 世纪80年代至90年代，集成电路封装引脚开始由周边型向面阵型发展，如针概阵列 (Pin Grid Array,PGA)封装。自20 世纪90年代的球栅阵列(Bar Grid Aray, BGA)封装开始，封装的 “插装”概念被 “贴装”所颠覆，“管脚”被“焊球”所替代。20 世纪末，芯片尺才封装 (Chip Size Package, CSP)解决了芯片面积小而封装面积大的矛盾，引1发了封装技术的革命。今后集成电路封装将向系统级封装 (System in Package, SiP)的方向发展。3D 封装中最重要的技术是硅通孔 (Through Silicon Vias, TSV)，该技术基于 IBM 的 Merlin Smith 和 Emamuel Stem 于1964 年的发明专利，2010 年以后开始在集成电路封装中得到应用。

集成电路制造技术中的另一个发展趋势是硅片直径不断增大。以Intel 生产线为例，1972年硅片直径为 3in，1992,年为 200mm，2002 年 Intel 建立了第一条300mm 硅片的生产线。

综上所述，集成电路制造技术发展的重要里程碑如图所示。

审核编辑：汤梓红