IC 制造工艺

集成电路是安装在小型电子芯片上的一组电子电路。通过制造工艺，可以制造出大量的器件，例如MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、晶体管、微控制器、计算机处理器等。半导体行业制造中最常用的材料是硅和锗，因为它们的结构稳定。

制造行业中使用的其他材料包括碳钢、银、铝、镁、铜、木材、热塑性塑料、树脂等。

首先，我们来讨论一下半导体领域的制造及其要求。

制造是指构建工业产品的过程。我们也可以将其定义为制造电子设备或产品的技术集合。例如，硅半导体芯片等。对于金属而言，制造是将原材料转化为成品的过程。

制造工艺生产的较小组件可用于制造较大的电子组件。

集成电路的基本制造工艺如下：

• 晶圆制备
• 氧化
• 扩散
• 离子注入
• 化学气相沉积
• 光刻
• 金属化
• 打包

让我们详细讨论上述工艺。

晶圆制备

晶圆是用于制造各种集成电路和晶体管的薄材料。晶圆充当这些器件的基座。晶圆的材料是半导体，特别是晶体硅。用于制造晶圆的硅晶体纯度非常高。从熔体中提取纯金属的过程称为棒料。将杂质以特定量添加到材料的熔融状态中，以使其成为 n 型或 p 型。

晶圆制备是 IC 制造的第一步。它包括对晶圆材料进行切割、成型和抛光，使其适合进一步制造。一些晶圆会因其锋利的边缘、不规则的表面和形状而被修改，以将其转换为所需的晶圆。

氧化

氧化是加入氧气的过程。在半导体中，氧气和硅会发生反应生成二氧化硅。氧化在 1250 摄氏度的高温炉中进行。氧化分为湿氧化或干氧化。两种工艺都被广泛使用，并各有优缺点。湿氧化速度快，而干氧化则具有良好的电气性能。

湿氧化也称为蒸汽。两种类型的氧化都具有优异的电绝缘性能。二氧化硅在硅晶圆上的沉积可以防止许多杂质。掺杂剂只能施加在未被 SiO2 覆盖的区域。下面显示了基板上的氧化层示例。

氧化工艺是 IC 制造工艺和其他 VLSI（超大规模集成）器件的重要组成部分之一。

扩散

扩散是从高浓度区域向低浓度区域添加杂质原子的过程。将掺杂剂或杂质原子添加到硅（半导体材料）中，从而改变其电阻率。扩散过程高度依赖于温度。它在 1000 摄氏度到 1200 摄氏度之间的高温炉中进行。杂质的深度和宽度取决于温度范围和时间。高掺杂浓度可提高金属的导电性。

掺杂剂可以是固态、液态或气态。优选的掺杂剂是五价杂质或 n 型，例如锑、五氧化二磷和砷（气体）。三价杂质或 p 型是镓、铟、硼等。

扩散不能用于后期阶段。因为制造过程中后续阶段形成的层数可能无法承受如此高的温度。

例如：

在 n 型衬底上扩散硼或铟（三价杂质）会形成 p-n 结。

扩散也是用于填充固体中晶格间隙的过程。

离子注入

离子注入是将离子从元素加速到固体靶材的过程。加速的离子可以改变固体的性质。离子在低温和高能下施加。低温允许其在室温下工作。但是，过多的能量也可能损坏固体的晶体结构。

离子注入在晶体（半导体材料）中引入杂质原子。当加速原子撞击晶体表面时，它会嵌入其中。能量和加速电场电压决定了离子穿透的深度。掺杂剂的量可以通过调整离子浓度来控制。因此，由于电流、电压和能量的可控性，离子注入更精确。

该工艺通常用于需要精确数量的杂质原子以实现器件运行的场合。

化学气相沉积

CVD 或化学气相沉积用于生产高质量固体材料。它在半导体行业中生产薄膜。该工艺在大气压以下进行，也称为真空沉积。化学物质和蒸气反应在基板表面形成固体。使用 CVD 工艺沉积基板上的保护层，例如二氧化硅、多晶硅和氮化硅。

例如：

硅烷气体（硅原子分子）与硅晶圆表面的氧气反应生成 SiO2 或二氧化硅。与热生长氧化物相比，CVD 工艺不够好，但足以作为基板上的绝缘体。其主要优点是在较低温度下具有更快的沉积速率。

CVD 可在极低压、低压、大气压、亚原子压和超高压下进行。这取决于工艺中涉及的化学反应。钨 CVD 也用于在半导体器件上创建触点或插塞。

光刻

光刻也称为光学光刻，利用光来生产薄膜。它用于在基板（如硅晶圆）上对薄膜进行图案化。它在后续制造过程（沉积、离子注入等）中保护某些区域。用于在硅晶圆上引入掩模图案的光的类型包括紫外线、X 射线和极紫外线，它们以不同的频率发射。生产薄膜最常用的光是紫外线。

首先在硅晶圆或基板上涂覆光刻胶。在光刻胶层上，借助光刻技术将掩模图案施加到硅晶圆上。晶圆的暴露区域会变软，可以被去除。这会在晶圆上创建图案。每种光的波长决定了压印在光刻胶上的特征尺寸。

光刻与摄影有些相似，因为曝光区域是通过光进行图案化的。入射光可以是直接的，也可以通过透镜投影。

紫外线或紫外光

紫外线通过掩模照射到晶圆上。它将掩模的几何设计转移到涂有光刻胶的晶圆表面。当紫外线照射到基板上的曝光区域时，光刻胶会断裂或硬化。然后使用专用溶剂去除涂层的软化部分。

光刻通常用于制造微处理器和固态器件。它可以创建小至纳米级别的各种尺寸的图案。它是一种快速、低成本、高效的方法，可以一步创建基板图案。但是，它不适合不规则表面。对于复杂的 IC 电路，由于微观结构，制造周期可能长达 50 次。

照射到基板上的光可以是紫外线或 X 射线，如下图所示。

金属化

金属化是指在金属表面或非金属表面上涂覆金属层的过程。涂层可以是铝、锌或银。CMOS 制造中的金属涂层是铝，它可以保护表面免受灰尘、空气、水等外部环境因素的影响。

金属化也用于互连构成集成电路的各种组件。组件可以是电阻器、电容器、晶体管、继电器等。如上所述，首先将金属层沉积在硅晶圆表面上。然后，蚀刻所需的图案或互连区域，如下图所示。

金属化工艺使用腔室来施加金属层。晶圆放置在腔室内部，腔室会覆盖内部的整个表面。金属层的厚度可以根据要求而变化。

打包

封装是 IC 制造工艺的最后阶段。完成的硅晶圆或各种尺寸的芯片及其众多小型组件会经过电气测试，以重新检查其工作情况。测试使用自动探测站进行。这是一种经济高效的测试机器，包括微波和射频测试。默认电路与所有电路分离。合格的电路被送去封装或焊接。

封装还负责将 IC 与其他设备组装在一起。IC 是设备的一个组件。与 IC 的外部连接被打包在一起形成一个设备。我们也可以说，封装是设备制造和最终使用之间的连接。它使产品适合其最终用途。

最后用环氧树脂或塑料密封封装，以防止其受到大气灰尘的影响。该过程在真空或惰性气氛下进行，这可以防止材料中的氧气被困在封装中。

结论

让我们总结上述 IC 制造工艺。

IC 制造从晶圆制备、氧化层沉积或保护层、将杂质引入晶圆（n 型或 p 型）、将离子注入晶体表面、CVD 生产薄膜、光刻（借助紫外线创建掩模图案）、沉积金属用于互连以及封装开始。