在上篇文章中，我們已經(jīng)詳細(xì)介紹了硅片的提純加工過程（產(chǎn)業(yè)觀察丨芯片的誕生，晶圓是如何從“沙子”煉成的？）。現(xiàn)在，我們將進(jìn)一步說明如何將集成電路芯片的設(shè)計(jì)電路一步步制造在硅片上，從而形成集成電路晶圓（IC Wafer）。

為了更具體地闡述，我們將以常見的手機(jī)處理器等數(shù)字邏輯芯片（Logic IC）的晶圓制造過程為例進(jìn)行說明。

從單晶硅片到IC晶圓再到芯片的形態(tài)轉(zhuǎn)變

Part.01

氧化工藝（Oxidation)

經(jīng)過精細(xì)拋光與清洗的單晶硅片，正式邁入晶圓加工的核心環(huán)節(jié)，首要步驟是執(zhí)行氧化工藝（Oxidation Process），其目標(biāo)是在晶圓表面構(gòu)建一層二氧化硅薄膜（SiO2）。這層薄膜發(fā)揮著多重保護(hù)作用，包括抵御化學(xué)雜質(zhì)對晶圓表面的侵害、預(yù)防晶體管間的漏電現(xiàn)象，以及在后續(xù)離子注入和刻蝕等工藝中保護(hù)晶圓硅層免受損傷。通過構(gòu)建這一堅(jiān)實(shí)的防護(hù)層，氧化工藝為后續(xù)制造流程奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)，并提供了必要的保障。

氧化工藝主要使用熱氧化法，通過高溫和純氧或水蒸汽與硅反應(yīng)，生成SiO2層。熱氧化法分為干法氧化和濕法氧化，前者形成的氧化層薄但質(zhì)量好，生長速度慢；后者形成的氧化層厚但密度低，生長速度快。隨著集成電路特征尺寸縮小，對氧化層均勻性和精確控制要求提高，除了傳統(tǒng)熱氧化工藝，還使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積和原子層沉積等先進(jìn)技術(shù)，在較低溫度下形成高質(zhì)量薄膜，并控制其厚度和組成。氧化工藝在晶圓制造中至關(guān)重要，目的在于確保晶圓表面穩(wěn)定性和可靠性，為后續(xù)制造步驟奠定基礎(chǔ)。

在氧化工藝中，一個(gè)至關(guān)重要的設(shè)備便是快速氧化爐。在全球范圍內(nèi)，享有盛譽(yù)的制造商包括美國的應(yīng)用材料公司和日本的東京電子公司。與此同時(shí)，國內(nèi)也有北方華創(chuàng)和中電四十八所等廠商在這一領(lǐng)域取得了顯著成就。

RTP氧化爐

Part.02

光刻與刻蝕工藝（Photolithography and Etching）

光刻工藝也是芯片晶圓制造非常關(guān)鍵的一步，而光刻與刻蝕工藝緊密聯(lián)系在一起。光刻工藝將電路圖形刻在了晶圓的光刻膠上，而刻蝕工藝才真正將光刻膠上的圖案轉(zhuǎn)移到了晶圓上，通過光刻與刻蝕的步驟，才可以將電路圖案在晶圓片上真正實(shí)現(xiàn)。光刻與刻蝕工藝步驟一次只能實(shí)現(xiàn)一層集成電路圖的結(jié)構(gòu)，因此需要重復(fù)該工藝步驟多次，并使用多張不同的掩膜版，才能最終完成集成電路圖案。

光刻工藝的過程與使用相機(jī)進(jìn)行攝影的過程在某些方面存在相似之處。在進(jìn)行攝影時(shí)，攝影師會(huì)首先將相機(jī)對準(zhǔn)目標(biāo)物體，隨后調(diào)整焦距和光圈以確保清晰的圖像。一旦這些參數(shù)調(diào)整到位，攝影師便可以按下快門，此時(shí)，相機(jī)的鏡頭便扮演著光刻機(jī)的角色，通過光線將目標(biāo)物體的圖像投射至相機(jī)的感光元件上。這個(gè)感光元件在芯片制造過程中，相當(dāng)于晶圓，它負(fù)責(zé)記錄下這一圖像。最后，沖洗照片的方式，類似于芯片制造中的刻蝕工藝，感光元件上記錄的圖像將被轉(zhuǎn)化為實(shí)際的物理照片。

光刻工藝示意圖

光刻工藝的過程是將芯片設(shè)計(jì)的電路圖案精確地“繪制”到晶圓上的關(guān)鍵步驟。首先，在晶圓上均勻涂抹一層感光材料，即光刻膠，它對光線極為敏感，類似于攝影中的感光元件。隨后，光刻機(jī)發(fā)出特定波長的光線，通常是紫外光或極紫外光，透過精心設(shè)計(jì)的光掩膜版。光掩膜版上刻有電路圖案的某一層，整顆芯片的電路圖案可能由多層這樣的掩膜版組合而成，每層的綜合效果構(gòu)成了最終的完整電路圖案。這也是光刻工藝需要多次進(jìn)行的原因。

經(jīng)過特殊透鏡的微縮作用，光掩膜版上的電路圖案被精確投射到晶圓表面的感光材料上。在這一過程中，感光材料會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而改變其性質(zhì)。隨后，通過化學(xué)溶液清洗處理，未被光線照射到的感光材料部分被去除，而被投射到的部分則得以保留，從而實(shí)現(xiàn)了電路圖案從光掩膜版到晶圓表面感光材料的精確轉(zhuǎn)移。

完成這一步驟后，后續(xù)的刻蝕工藝將圖案進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到晶圓上，最終將電路圖案轉(zhuǎn)化為晶圓上的實(shí)際物理結(jié)構(gòu)。這一過程要求極高的精度和穩(wěn)定性，以確保最終產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。

光刻工藝環(huán)節(jié)所利用的光罩（Mask）宛如一個(gè)高精度的“印章”，旨在將預(yù)設(shè)的電路圖案精確地轉(zhuǎn)移到晶圓之上。光罩通常由石英玻璃、鉻金屬（Cr）及其氧化物（CrO2）等材料精心制作而成，包含透明與不透明兩部分區(qū)域，其中圖案布局與最終需刻印于晶圓上的電路圖案嚴(yán)格對應(yīng)。當(dāng)特定光線透過光罩照射到涂布有光刻膠的晶圓表面時(shí)，光罩的不透明部分將阻擋光線，而透明部分則允許光線通過，從而在晶圓上精準(zhǔn)地投影出光罩上的圖案輪廓。

掩膜版

由于掩膜版對IC晶圓制造至關(guān)重要，隨著芯片制程工藝的進(jìn)步和晶體管規(guī)模的擴(kuò)大，掩膜版層數(shù)也在增加。一顆芯片的光刻過程可能需要數(shù)十張不同的掩膜版，成本不斷上升。因此，為了更好地控制和服務(wù)于客戶芯片制造并獲取掩膜版的高利潤，F(xiàn)ab廠商通常建立自己的掩膜版生產(chǎn)線。

有了掩膜版，就可以借助光刻機(jī)進(jìn)行光刻工藝的生產(chǎn)制造過程。荷蘭的ASML是最領(lǐng)先、最知名的光刻機(jī)制造商，幾乎壟斷了極紫外光刻機(jī)市場。由于光刻機(jī)技術(shù)復(fù)雜，每年的產(chǎn)量只有數(shù)十臺(tái)，因此這些高端光刻機(jī)主要被全球前三大晶圓制造商——臺(tái)灣的TSMC、美國的Intel和韓國的Samsung所購買。

Part.03

摻雜工藝（Doping）

摻雜工藝是形成集成電路中晶體管的關(guān)鍵步驟，只有經(jīng)過此工藝，電路的電學(xué)特性才能形成，進(jìn)而成為真正的半導(dǎo)體電路。

摻雜工藝主要利用薄膜沉積和離子注入等方法，引入特定雜質(zhì)原子來改變硅材料的電學(xué)性質(zhì)。例如，通過引入磷元素可制成N型半導(dǎo)體，而引入硼元素則形成P型半導(dǎo)體。這些半導(dǎo)體材料可組合成PN結(jié)和MOS管等關(guān)鍵電路單元，為現(xiàn)代電子器件提供基礎(chǔ)。

摻雜工藝原理圖

摻雜工藝中主要會(huì)使用比如擴(kuò)散爐、離子注入機(jī)等設(shè)備，主要來自AMAT、ASML、TEL等廠商，國內(nèi)也有中電科四十八所等廠商在積極推進(jìn)。

Part.04

金屬布線工藝（Metal Wiring）

經(jīng)過前面的工藝步驟，已經(jīng)形成了基本的電路結(jié)構(gòu)單元。但是，這些單元如果不進(jìn)行連接，就無法形成完整的電路，也無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的順利傳輸。為了實(shí)現(xiàn)電路的連接，需要采用金屬布線工藝。

金屬布線材料主要有鋁、銅、鎢等，目前多采用銅因?qū)щ姾头€(wěn)定性好，鎢則用于深布線因其填充能力強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)金屬布線的方法包括物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積和機(jī)械化學(xué)平坦等工藝。此工藝涉及薄膜沉積和機(jī)械化學(xué)研磨等設(shè)備，全球領(lǐng)先企業(yè)包括美國AMAT、Lam Research，荷蘭ASM、日本TEL，以及國內(nèi)北方華創(chuàng)、拓荊科技、中微公司等。

金屬布線示意圖

至此，集成電路晶圓（IC Wafer）的制造流程宣告終結(jié)。在每一道制造工序之后，晶圓都必須歷經(jīng)縝密的品質(zhì)檢測，以確保各項(xiàng)工藝目標(biāo)順利達(dá)成。最終，成品晶圓還需通過WAT測試。WAT測試在晶圓工藝制造完成后進(jìn)行，通過檢測晶圓上特定位置結(jié)構(gòu)單元電路的電性參數(shù)，全面評估每一片晶圓產(chǎn)品的工藝制造情況，進(jìn)而判斷其是否滿足工藝制造的規(guī)格要求。因此，WAT數(shù)據(jù)被視為晶圓產(chǎn)品出貨交付的質(zhì)量憑證。

完整IC晶圓示意圖

集成電路晶圓制造（Wafer Fab）作為科技領(lǐng)域中的一項(xiàng)杰出工業(yè)制程，集中展現(xiàn)了科技研發(fā)領(lǐng)域最尖端的設(shè)備、高精度材料與工藝。其所產(chǎn)出的芯片晶圓，已成為推動(dòng)科技發(fā)展的核心基石。無論是在通訊、計(jì)算機(jī)、人工智能等前沿領(lǐng)域，還是在消費(fèi)電子、工業(yè)控制等廣泛應(yīng)用領(lǐng)域，晶圓制造技術(shù)都扮演著至關(guān)重要的角色。我們堅(jiān)信，隨著技術(shù)的不斷突破與創(chuàng)新，晶圓制造技術(shù)將繼續(xù)取得更大的發(fā)展，持續(xù)為人類社會(huì)文明進(jìn)步賦能。