T218工藝-半導體晶元製造流程與設備

中國每年進口晶元超過2000億美元，咱們的硬體工程師們，對晶元應用晶元各種封裝都了解不少，咱們的TO工程師也知道TIA 使用裸die，不少應用級的設計人員對晶元製造過程卻不太了解。

建設一條半導體產線要幾十億上百億美元，這是一個專家雲集的高精尖領域，CMOS是半導體晶元最基礎的一個器件，一個針尖就有3000萬個CMOS，而一個CMOS器件需要上百道製造流程，想想就不簡單。咱們聊一聊一個CMOS器件的基本流程。

這也是我花了兩三年才逐漸大致明白，一個較真的外行女人血淚史……，所以也不解釋PMOS阱?NMOS阱如何成為CMOS滴，頭髮絲粗70微米，一個橫截面能放3000個器件，如此咱們放大再放大看圖走起。

半導體公司有設計生產一體，有單獨的設計公司，也有製造代工企業 台積電 中芯國際等，MAXIM考慮賣掉半導體生產線，fabless成為不可避免的潮流。

複雜繁瑣的晶元設計流程略去不表

簡單地說，晶元的製造過程可以分為沙子原料(石英)、硅錠、晶圓、光刻，蝕刻、離子注入、金屬沉積、金屬層、互連、晶圓測試與切割、核心封裝、等級測試、包裝等諸多步驟，而且每一步裡邊又包含更多細緻的過程。

下邊就圖文結合，一步一步看看：

沙子：硅是地殼內第二豐富的元素，而脫氧後的沙子(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，這也是半導體製造產業的基礎。

硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級，下同。通過多步凈化得到可用於半導體製造質量的硅，學名電子級硅(EGS)，平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質原子。此圖展示了是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的，最後得到的就是硅錠(Ingot)。

單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度99.9999％。

硅錠切割：橫向切割成圓形的單個矽片，也就是我們常說的晶圓(Wafer)。順便說，這下知道為什麼晶圓都是圓形的了吧？

晶圓：切割出的晶圓經過拋光後變得幾乎完美無瑕，表面甚至可以當鏡子。真圓啊……

光刻膠(Photo Resist)：圖中藍色部分就是在晶圓旋轉過程中澆上去的光刻膠液體，類似製作傳統膠片的那種。晶圓旋轉可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。

光刻：光刻膠層隨後透過掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下，變得可溶，期間發生的化學反應類似按下機械相機快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預先設計好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會形成微處理器的每一層電路圖案。

光刻：由此進入50-200納米尺寸的晶體管級別。晶體管相當於開關，控制著電流的方向。現在的晶體管已經如此之小，一個針頭上就能放下大約3000萬個。

溶解光刻膠：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除後留下的圖案和掩模上的一致。

蝕刻：使用化學物質溶解掉暴露出來的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護著不應該蝕刻的部分。

清除光刻膠：蝕刻完成後，光刻膠的使命宣告完成，全部清除後就可以看到設計好的電路圖案。

再次光刻膠：再次澆上光刻膠(藍色部分)，然後光刻，並洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注入的那部分材料。

離子注入(Ion Implantation)：在真空系統中，用經過加速的、要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料，從而在被注入的區域形成特殊的注入層，並改變這些區域的硅的導電性。經過電場加速後，注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時。

清除光刻膠：離子注入完成後，光刻膠也被清除，而注入區域(綠色部分)也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時候的綠色和之前已經有所不同。

晶體管就緒：至此，晶體管已經基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個孔洞，並填充銅，以便和其它晶體管互連。

電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉澱到晶體管上。銅離子會從正極(陽極)走向負極(陰極)。

銅層：電鍍完成後，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個薄薄的銅層。

拋光：將多餘的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。

金屬層：晶體管級別，六個晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體管之間形成複合互連金屬層，具體布局取決於相應處理器所需要的不同功能性。晶元表面看起來異常平滑，但事實上可能包含20多層複雜的電路，放大之後可以看到極其複雜的電路網路，形如未來派的多層高速公路系統。

晶圓測試：內核級別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測試，使用參考電路圖案和每一塊晶元進行對比。

晶圓切片(Slicing)：晶圓級別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是晶元的內核(Die)。咱們TO can封裝的跨阻放大器就是DIE的形式

丟棄瑕疵內核：晶圓級別。測試過程中發現的有瑕疵的內核被拋棄，留下完好的準備進入下一步

封裝：封裝級別

晶元：這種在世界上最乾淨的房間里製造出來的最複雜的產品實際上是經過數百個步驟得來的。

前一段某單位大俠晒圖，說最潔凈的工作環境，抵抗霧霾的利器。招聘能與時俱進，佩服佩服。

等級測試：最後一次測試，可以鑒別出每一顆處理器的關鍵特性，比如最高頻率、功耗、發熱量等，並決定晶元的等級。

晶元設計設備：1、單晶爐：

德國PVA TePla AG公司、日本Ferrotec公司、美國QUANTUM DESIGN公司 ……

2、氣相外延爐：

美國CVD Equipment公司、美國GT公司、法國Soitec公司……

3、分子束外延系統：

法國Riber公司、美國Veeco公司、芬蘭DCA Instruments公司……

4、氧化爐：

英國Thermco公司、德國Centrothermnthermalsolutions GmbH Co.KG公司……

5、低壓化學氣相澱積系統：

日本日立國際電氣公司……

6、等離子體增強化學氣相澱積系統：

美國Proto Flex公司、日本Tokki公司、日本島津公司……

7、磁控濺射台：

美國PVD公司、美國Vaportech公司、美國AMAT公司……

8、化學機械拋光機：

美國Applied Materials公司、美國諾發系統公司、美國Rtec公司……

9、光刻機：

荷蘭阿斯麥（ASML）公司、美國泛林半導體公司、日本尼康公司……

10、反應離子刻蝕系統：

日本Evatech公司、美國NANOMASTER公司、新加坡REC公司……

11、ICP等離子體刻蝕系統：

英國牛津儀器公司、美國Torr公司、美國Gatan公司……

12、離子注入機：

美國維利安半導體設備公司、美國CHA公司、美國AMAT公司……

13、探針測試台：

德國Ingun公司、美國QA公司、美國MicroXact公司……

14、晶片減薄機：

日本DISCO公司、德國G&N公司、日本OKAMOTO公司……

15、晶圓劃片機：

德國OEG公司、日本DISCO公司……

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