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了解芯片的制造过程:从沙子到芯片

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发表时间:2022-11-18 10:07作者:全球芯 | glochip.com网址:http://glochip.com/news/
文章附图

本文将简单分享,芯片在制造环节的过程。以后还会出一期讲解芯片是如何设计的,各类型芯片的区别的分享,敬请留意。


本文讲解的芯片指的是:硅基芯片。

大概的流程:硅石/二氧化硅(SiO)→硅锭(Silicon,工业冶炼级 )→硅棒( Slicon rod 多晶硅棒(光伏级)→芯片级单晶硅棒)→硅片→晶圆(Wafer)( Silicon wafer)→芯片

更详细的工艺参考如图



备注:未切割的单晶硅材料是一种薄型叫晶圆片,是半导体行业的原材料,割后叫硅片,通过对硅片进行光刻、离子注入等手段,可以制成各种半导体器件

第一步:找品质比较好的硅石(二氧化硅含量比较多的一种矿)


硅石矿



建筑用的沙子,主要含量也是二氧化硅,但是硅石的含量要更高。


第二步:在硅石中提炼相对高纯度的冶炼级工业硅锭(Silicon)


在石墨矿热炉(石墨电弧电炉)里面,按比例放上硅石、木屑、煤炭等材料,加热至2000度左右,通过还原反应,提取浓度为98%-99%的冶炼级工业硅。


备注:石墨的熔点为3850±50℃,沸点为4250℃,即使经超高电弧灼烧,重量的损失很小,热膨胀系数也很小,是目前最理想的冶炼硅石的设备;



石墨矿热炉提取硅



碳化硅(SiC)是未来第三代半导体中功率元器件的主要材料,未来可期



纯度98-99%的硅锭



第三步:在冶炼级工业硅锭中一步一步提纯变成芯片级硅棒



西门子法



使用西门子法(1955年发明),把工业硅锭变成多晶硅硅棒


1、把工业级硅锭粉碎成硅粉


2、在325℃高温下,注入氯化氢(HCl),325℃下,硅粉中的硅和氯化氢发生化学反应:Si+3HCI→H+SiHCl3,另外硅粉中可能掺杂的铝、铁,这些也会和氯化氢发生化学反应,最终装置里面会有沸点不同的气体:32℃的SiHCl3、315℃的FeCI3、180℃的AlCl3、57℃的SiI4等气体



3、利用装置中的冷凝器和蒸馏塔,把SiHCl3提取出来


4、在1100℃温度下,往SiHCl3,注入氢气,让其发生化学反应


2H+4SiHCl3→3Si+8HCI+4SiCl4


这个温度状态下,硅会呈现黑色的固态,会给人有慢慢“生长”的过程视觉



多晶硅硅棒



此刻的“硅棒”,含硅量在99.9999%,6个9适合光伏产业(太阳能板等)



使用“柴可拉斯基法”,又叫直拉法/提拉法,英文名:Czochralski process,波兰科学家,于1916年研究金属的结晶速率时,发明了这种方法。把多晶硅棒,提取成质地均匀、性能稳定的单硅晶硅棒。



柴可拉斯基法



在石英工业坩埚(石英的熔点为1750℃)里面,放入多晶硅,将温度加热到稍微大于硅的熔点(1410℃),形成液体硅。先用一根细长单晶硅作为引点,进入液体硅,按照一定的旋转速度、提拉速度等进行提拉,硅被拉出来后逐步冷凝后形成单晶硅硅棒(12英寸拉1.5米,两头呈锥形,重一般在270公斤-300公斤左右,8英寸一般在6米)



12英寸国产单晶硅棒



画黑板:单晶硅硅棒直径越大,切出来的硅片包括后面的晶圆最大,单片上生产的芯片越多,单个芯片的成本越低




第四步:芯片级单晶硅棒切成薄片→芯片级硅片→芯片级晶圆(纯度为:99.999999999%,也就是11个9,芯片级晶圆是我国芯片制造中卡脖子的开始)



从毛坯房到精装房:硅片→晶圆,晶圆是精加工后的硅片



过程需要经历:滚磨→激光标识→切片→倒角→磨片→腐蚀→背损伤→边缘镜面抛光→预热清洗→抵抗稳定,退火→背封→粘片→抛光→检查前清洗→外观检查→金属清洗→擦片→激光检查→包装(里面充满氮气)



全球芯片级单晶硅片主要被以下五个公司垄断(90%+):以2020年为例子。2020年,全球前五大硅片厂商分别为:日本信越化学,市占27.53%;日本胜高,市占21.51%;环球晶圆,市占14.8%;德国世创,市占11.46%;韩国鲜京矽特隆,市占11.31%。值得一提的是,在环球晶圆完成对世创的收购后,一跃成为仅次于信越化学的全球第二大半导体硅片厂商。目前全球芯片级硅片产业大概是120亿美金的市场(2020年),属于高投入,高技术,相对低利润率的产业,国内的厂家主要是:中环股份、杭州立昂微、上海硅产业集团。



芯片级硅片产业链的设备目前基本为日本企业的精密制造的企业和少数欧美的企业垄断,比如单晶炉、切割机、倒角机……



请注意:这里说的硅片指的是是芯片级的硅片



硅片



晶圆领域:



从6英寸到8英寸只花了大约6年时间,而从8英寸到12英寸则用去了近10年时间,18英寸晶圆一直仍在路上;8英寸≈200mm;12英寸≈300mm



8英寸,主要运用于90nm以上制程的芯片,如部分汽车芯片,宇航级芯片,军用芯片;12英寸则主要运用于45nm及以上的先进制程的芯片:智能终端为主。



第五步:晶圆→芯片



首先要准备:制作光刻掩膜版(Mask Reticle)光刻掩膜版:(又称光罩,简称掩膜版),是微纳加工技术常用的光刻工艺所使用的图形母版。由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜图形结构,再通过曝光过程将图形信息转移到产品基片上。



作用:芯片设计师将CPU的功能、结构设计图绘制完毕之后,就可将这张包含了CPU功能模块、电路系统等物理结构的“地图”绘制在“印刷母板”上,供批量生产了。这一步骤就是制作光刻掩膜版。



然后开始对晶圆进入光刻阶段了(卡脖子主要是在光刻机、光刻胶)



1、准备晶圆覆膜(氧化):将准备好的晶圆扔进光刻机光刻之前,一般通过高温加热方式使其表面产生氧化膜,如使用二氧化硅(覆化)作为光导纤维,便于后续的光刻流程:



2、往晶圆上涂上光刻胶



“光刻胶(英语:photoresist),亦称为光阻或光阻剂,是指通过紫外光、深紫外光、电子束、离子束、X射线等光照或辐射,其溶解度发生变化的耐蚀刻薄膜材料,是光刻工艺中的关键材料,主要应用于集成电路和半导体分立器件的细微图形加工。”



3、光刻机光刻



光刻机将紫外(或极紫外)光通过镜片,照在前面准备好的集成电路掩膜版上,将设计师绘制好的“电路图”曝光(光刻)在晶圆上



芯片光刻



4、先溶解光刻胶,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再进行蚀刻



5、蚀刻



照射到的光阻需要用显影液祛除



光刻机照射到部分的光阻(光刻胶)会发生相应变化,一般使用显影液将曝光部分祛除



被光阻(光刻胶)覆盖部分以外的氧化膜,则需要通过与气体反应祛除



6、离子注入:在真空中,用经过加速的原子、离子照射(注入)固体材料,使被注入的区域形成特殊的注入层,改变区域的硅的导电性



7、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)。



8、抛光:将多余的铜抛光掉,也就是磨光晶圆表面



9、在完成一层光刻流程之后,把这一阶段制作好的晶圆用绝缘膜覆盖,然后重新涂上光阻(光刻胶),继续开始新一层的光刻……越是先进制程的芯片,层数越多,有的超过30层。



最后制造出布满芯片的晶圆



10、晶圆测试,内核级别,使用参考电路图案和每一块芯片进行对比



11、晶圆切片,丢弃瑕疵芯片。



12、封装及再次测试



13、包装,发货



芯片制造流程参考图



小结和补充



1、我们在芯片制造领域存在着多个被“卡脖子”的细分赛道,比如“芯片级硅片”的制造、光刻(光刻机、光刻胶、涂胶显影机、抛光机),从要保证基本需求的角度来看,材料技术最缺,其次是设备。



2、高端技术是买不来的,安全也是买不来的,还是得自己脚踏实地撸起袖子加油干。



3、不要好高骛远,不要过度追求7nm、5nm,芯片制造是复杂的产业链,需要把更多精力先放在完善产业链,补短板上,短期内能把28nm芯片的制造产业链全部自主,目前来看就能大部分满足国家安全和民生需求了。



感恩我们生活在这个激动人心的时代,有机会见证中国芯片产业的崛起和反超。


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