来源：The Science Behind High-Tech Gadgets: Exploring the Art of Wafer Fabrication | SemiconSociety Blogs

你有没有想过高性能电子设备是如何制造的？答案就在晶圆制造工艺中。这个复杂的过程涉及使用硅、外延层、光刻胶以及金属和介电薄膜等材料来制造微芯片和其他半导体器件。

在本文中，我们将探讨晶圆制造的目的、使用的材料、涉及的步骤以及不同类型的晶圆制造工艺。让我们潜入并揭开晶圆制造的迷人世界！

关键要点：

晶圆制造过程涉及制造一片薄薄的半导体材料，通常是硅，以生产微芯片和其他电子元件。

晶圆制造工艺的目的是制造可用于各种电子设备的精确且实用的微芯片。

晶圆制造过程中使用的一些材料包括硅、外延层、光刻胶以及金属和介电薄膜。

什么是晶圆制造工艺？

晶圆制造过程涉及在硅晶圆上制造半导体电路，这是生产电子设备中使用的各种电气结构的关键步骤。

该过程在洁净室中进行，该洁净室专门设计用于保持受控环境，没有可能破坏电路创建的精细过程的污染物。洁净室配备了先进的空气过滤系统，人员必须穿着专门的服装，以防止任何颗粒污染。光掩模生产等专用工具用于将复杂的电路图案转移到硅晶圆上，确保最终产品的高精度和高质量。

晶圆制造工艺的目的是什么？

晶圆制造工艺的主要目的是通过使用电路设计软件和SPICE仿真的精确设计实现来制造半导体芯片。

利用电路布局程序在优化整体芯片设计方面起着至关重要的作用，可实现复杂而高效的配置，从而提高性能。这些软件工具使工程师能够绘制芯片内错综复杂的路径和连接，确保功能正常并最大限度地减少信号干扰。紧跟晶圆厂设备的市场趋势对于将尖端技术和工艺整合到生产线中以提高效率和成本效益至关重要。

晶圆制造过程中使用哪些材料？

在晶圆制造过程中使用了各种材料，包括用于晶圆衬底的硅、用于增强导电性的外延层、用于掩蔽的光刻胶以及用于电路互连的金属/介电薄膜。

硅因其丰富和独特的性能而成为晶圆生产中的关键元素。硅具有出色的热稳定性，非常适合处理半导体制造过程中涉及的高温。此外，其晶体结构允许精确控制电导率，这对于创建复杂的电路图案至关重要。

外延层通过提高晶体质量和引入特定掺杂剂来控制电子流动，在增强半导体性能方面发挥着至关重要的作用。这些层生长在硅衬底上，以微调电导率并优化晶体管特性。

光刻胶广泛用于晶圆上的图案化电路。这种感光材料充当模板，定义在半导体表面蚀刻特定特征的位置。它在将电路设计转移到晶圆上时提供了高分辨率和精度。

金属和介电薄膜对于在半导体器件内建立高效的电气连接至关重要。金属薄膜用作导电通路，而介电薄膜则绝缘并保护电路免受干扰和漏电。这些薄膜共同实现了整个集成电路中信号和功率的精确传输。

晶圆制造工艺的步骤是什么？

晶圆制造过程包括几个连续步骤，从晶圆制备开始，然后是清洁、用于图案转移的光刻、用于去除材料的蚀刻、新层的沉积、用于掺杂的离子注入、用于结构稳定性的退火，最后用于产品保护的封装。

晶圆制备需要精心处理，以避免对表面造成任何污染或损坏。

清洁工作经过精确处理，以去除任何可能影响后续工艺的杂质。

光刻利用先进的技术将电路图案精确地转移到晶圆上。

蚀刻是小心的，以精确地去除材料的特定区域。

离子注入对于改变晶圆的电性能至关重要。

退火对于提高材料完整性和减少缺陷至关重要。

包装是最后一步，在运输和使用过程中保护精密的半导体器件。

晶圆制造工艺有哪些不同类型？

晶圆制造工艺有多种类型，包括批量微加工、表面微加工和 LIGA 工艺，每种工艺都提供独特的电路创建方法。

批量微加工涉及选择性地蚀刻材料以直接在晶圆基板上创建结构，使其成为制造传感器、加速度计和执行器的理想选择。

另一方面，表面微加工在晶圆表面构建材料层以创建复杂的设计，通常用于射频 MEMS 器件和微流体系统。

LIGA工艺代表光刻、电镀和成型，能够精确控制高纵横比微观结构的制造，满足光子学、生物技术和微电子领域的应用。

硅

硅在晶圆制造中起着至关重要的作用，是半导体电路的基板材料。

硅晶圆的一个关键特性是其高导电性，使它们能够有效地通过电路传输电流。这些晶圆还以其耐用性和耐高温能力而闻名，使其在电子应用中非常可靠。

外延层

外延层在晶圆制造中至关重要，可提高半导体芯片和电气结构的导电性和性能。

这些层通过为其他半导体材料的生长提供原始晶体结构，在高性能半导体器件的生产中起着至关重要的作用。通过仔细控制沉积过程，外延层可以精确定制材料特性，确保最佳的载流子迁移率并减少电子散射。这种定制对于在晶体管、二极管和其他电子元件中实现所需的电气特性至关重要。外延层还有助于最大限度地减少缺陷并提高半导体制造工艺的整体良率。

光刻 胶

光刻胶用于晶圆制造，用于光刻工艺和光掩模生产过程中的掩模图案。

光刻胶通过在硅晶圆上创建复杂的电路图案，在半导体制造中起着至关重要的作用。在光刻过程中，将一层薄薄的光刻胶涂在晶圆表面，并通过光掩模暴露在紫外光下。光刻胶的暴露区域变得可溶，允许选择性去除，从而将所需的电路图案转移到晶圆上。这种精确的图案化对于微芯片和其他半导体器件的生产至关重要。

金属和介电薄膜

金属和介电薄膜是晶圆制造过程中的关键组件，通过精确的设计和分层有助于电路的形成。

这些薄膜的集成对于创建互连至关重要，这些互连使电流能够在电路的不同组件之间流动。金属薄膜充当导体，允许电流通过，而介电薄膜充当绝缘体，防止不必要的干扰或短路。通过精心选择和分层这些材料，电路设计人员可以提高信号传输效率，减少信号损耗，并改善整体电路性能。

晶圆制备

晶圆制备是晶圆制造的基础步骤，对于确保生产过程中使用的半导体材料的质量和完整性至关重要。

正确的晶圆制备技术，如清洁和检测，在半导体制造中起着至关重要的作用。正是这些初始步骤为整个生产过程奠定了基础。如果不进行彻底清洁，污染物会危及最终半导体产品的性能和可靠性。细致的检查有助于及早发现任何缺陷或缺陷，防止下游出现代价高昂的错误。

清洗

清洁是晶圆制造中的关键过程，在专门的洁净室中进行，以保持半导体材料的纯度和质量。

晶圆制造涉及复杂的工艺，需要极高的精度来确保生产高质量的半导体器件。环境的清洁度至关重要，因为即使是最微小的颗粒也会破坏整个制造过程。严格的清洁程序可以消除污染物，例如灰尘、污垢和其他可能损害晶圆完整性的颗粒。

洁净室在这个过程中起着至关重要的作用，它提供了一个污染物含量低的受控环境。半导体行业严重依赖洁净室中严格的清洁标准来获得一致和可靠的结果。

光刻

光刻是晶圆制造中的一项关键技术，用于将电路图案精确地转移到半导体芯片上。

该过程涉及使用光刻胶在硅晶圆上创建图案，然后通过掩模将其暴露在紫外线下。暴露在光线下的区域变得可溶并被蚀刻掉，留下所需的电路图案。

一旦图案被转移，像SPICE这样的工具就会被用来模拟电路设计的行为，从而在实际制造之前进行彻底的测试和优化。

蚀刻

蚀刻是晶圆制造中的关键步骤，涉及选择性地去除材料层以高精度定义电路结构。

该工艺在半导体制造中起着至关重要的作用，因为它可以创建对电子设备功能至关重要的复杂电路特征。通过精确去除特定的材料层，蚀刻可以定制电路图案，确保最佳性能和功能。

蚀刻通常与光刻等其他工艺结合使用，以精确地图案化晶圆表面。光刻技术定义了整体布局，而蚀刻则通过蚀刻掉不需要的材料来细化这些图案，从而塑造集成电路的最终结构。

沉积

沉积在晶圆制造中起着至关重要的作用，可以添加新的材料层来制造具有特定电气特性的半导体芯片。

在半导体制造中，沉积过程涉及通过化学气相沉积 （CVD） 或物理气相沉积 （PVD） 等各种技术将材料薄层沉积到晶圆表面。此步骤至关重要，因为它可以精确控制每层的成分、厚度和性能。

沉积在分层半导体材料中的应用对于构建构成现代电子设备的复杂结构至关重要。通过仔细堆叠具有特定性能的不同材料，例如导电层、绝缘层或半导体层，制造商可以创建复杂的电路和组件。

这种细致的分层工艺通过为芯片提供必要的结构和特性，以有效地执行其预期功能，从而为晶圆制造芯片的功能做出了重大贡献。每一层在整体设计中都有特定的用途，影响芯片的导电性、绝缘性或其他关键特性。

离子注入

离子注入是晶圆制造中的一项关键技术，用于将掺杂剂引入半导体材料中以改变其电性能和性能。

该过程涉及将离子加速到高能量并将它们引导到目标材料中，在那里它们穿透表面并产生受控的掺杂剂分布。通过仔细选择离子的类型和剂量，制造商可以精确地改变半导体的电导率和载流子浓度，从而影响电子设备的功能。该技术允许创建具有定制电气特性的特定区域，在优化半导体元件的性能和效率方面发挥着至关重要的作用。

退火

退火是晶圆制造中必不可少的工艺，涉及对半导体材料进行受控加热和冷却，以优化其结构完整性和性能。

通过退火工艺，半导体材料的晶体结构得到细化，减少了缺陷，增强了材料的电性能。这种受控的热处理还有助于缓解材料内部的应力，从而提高材料的稳定性和耐久性。退火在激活半导体内的掺杂剂方面起着至关重要的作用，这对于产生半导体器件所需的特定电性能至关重要。

包装

封装是晶圆制造中关键的最后一步，涉及用于电子设备商业用途的半导体芯片的封装和保护。

高效封装在保护精密半导体芯片免受湿气、灰尘和物理损坏等环境因素的影响方面发挥着至关重要的作用，确保其功能性和使用寿命。该封装不仅可以屏蔽芯片，还可以促进适当的散热、信号传输和电气连接，从而增强器件内集成电路的性能。

批量微加工

批量微加工是晶圆制造中的一种专业工艺，特别适用于具有精确结构设计的微机电系统（MEMS）的开发。

批量微加工中使用的关键方法之一是硅衬底的各向异性蚀刻，其中以不同的速率蚀刻特定的晶体平面以创建复杂的结构。该过程允许在微观尺度上创建复杂的图案和形状，从而能够生产各种MEMS器件，例如传感器，执行器和加速度计。

批量微加工在MEMS生产中的应用广泛而多样，涵盖从医疗保健到汽车的各个行业。在医疗领域，批量微加工用于创建用于药物输送系统和诊断工具的生物MEMS器件。该技术提供的精度和可扩展性使其成为微纳加工领域工程师和研究人员的重要工具。

曲面微加工

表面微加工是晶圆制造中使用的一种技术，用于在半导体材料表面高精度地创建复杂的电路结构。

在表面微加工过程中，在半导体材料上沉积一层牺牲层，然后沉积结构材料。接下来，使用光刻和蚀刻技术定义图案，将结构材料塑造成所需的电路设计。然后有选择地去除牺牲层，留下复杂的电路结构。这种方法允许创建具有复杂设计的先进电子元件，从而能够为各种应用开发更小、更高效的设备。

LIGA流程

LIGA工艺是晶圆制造中的一种特殊方法，以其在为半导体行业应用创建微结构方面的精度而闻名。

LIGA工艺的独特特点之一是它能够产生具有出色尺寸精度的高纵横比结构。这意味着可以以令人难以置信的精度制造错综复杂的微观结构，从而可以创建先进的半导体元件。

这些微结构通过实现小型化和改进功能，在提高半导体器件的性能方面发挥着至关重要的作用。LIGA工艺具有高可重复性、可扩展性以及在单个晶圆上同时制造多种结构的能力等优势。

批量微加工

批量微加工是晶圆制造中的一种专业工艺，特别适用于具有精确结构设计的微机电系统（MEMS）的开发。

该技术涉及选择性地蚀刻晶圆的某些区域以创建复杂的微观结构。通过利用各种蚀刻剂和掩蔽技术，制造商可以精确控制材料的去除，从而形成复杂的MEMS组件。批量微加工的应用范围很广，从压力传感器和加速度计到光学开关和微流控设备。它在微观尺度上创建精确结构的能力彻底改变了生物技术、航空航天和电信等行业 。