半导体制造工艺基本认识 大纲

一、简介

21年刚开始做视觉的时候有幸参观过一家日企在国内半导体加工实验室，大概在22年的时候做了一个晶圆检测的项目，后续在LG工厂也参观半导体的部分制造工艺，直到今年的7月份又做了一个半导体缺陷检测的项目，一直以来都是在做项目，没有系统的了解过，今天就抽时间来系统的学习一下半导体制造工艺的整个流程和痛点和难点，以及半导体设备 被应用材料（Applied Materials）、阿斯美尔、泛林集团（Lam Research）、新思科技（Synopsys）、东京电子、日立、尼康 、佳能等发达国家在哪里卡了脖子（虽然个人能力有限，我了解主要是为了讲给我孩子听）。

二、基本流程

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晶圆（Wafer）  ：

晶圆是半导体的基础，通常由高纯度的单晶硅制成。它为集成电路的制造提供了一个平整、光滑的表面。

氧化（Oxidation）：

在晶圆表面形成一层薄的二氧化硅（SiO2），这层氧化膜作为绝缘体，保护下方的硅，并在后续步骤中作为模板。

光刻（Photolithography）：

通过光刻，电路设计被转移到晶圆上。这一步使用光敏化合物（光刻胶）和紫外光，通过掩模将电路图案投射到晶圆上。

刻蚀（Etching）

是去除不需要的材料的过程，以揭示光刻步骤中定义的电路图案。刻蚀可以是湿法或干法。

沉积和离子注入（Deposition and Ion Implementation）：

在这一步，会在晶圆上沉积非常薄的薄膜，并可能注入离子以改变硅的电学性质。这些薄膜可能是导电或绝缘的，用于构建电路的不同部分。

金属布线（Metal Wiring）：

通过沉积一层薄金属膜，允许电流在电路中流动，连接不同的组件。

电子管芯分选（EDS - Electrical Die Sorting）：

在整个制造过程中，对半导体芯片进行电气测试，以确保它们没有缺陷，满足性能要求。

封装（Packaging）：

最后，将晶圆切割成单个的半导体芯片，并将它们封装在保护性材料中，以保护芯片免受损害，同时提供与外部电路的连接点。

三、半导体特性

具有导电特性的物质叫作导体，反之不具有导电特性的物质称为绝缘体。半导体就像字面意思一样，可以说其特性正好介于两者之间。有时导电，有时不导电，这种性质决定了晶体管的性能。一般来说，硅本身是本征半导体，不会有电流流过，因此人为添加杂质使其具有导电的特性。

四、为什么是半导体原材考料主要硅？

硅的特性

硅本身是本征半导体，不会有电流流过，因此人为添加杂质使其具有导电的特性。

简单来说，硅并非唯一可以制造半导体芯片的材料，但它是在成本、性能、制造工艺和自然资源可获得性之间取得最佳平衡的“性价比之王”

可以从以下几个关键方面来理解为什么硅是晶圆的绝对主角：

1. 丰富的“沙子”

• 储量巨大：硅是地壳中第二丰富的元素（约占地壳质量的28%），其氧化物二氧化硅就是沙子、石英的主要成分。这意味着原材料成本极低，取之不尽。

• 对比：相比之下，早期使用的半导体材料锗非常稀有，这直接导致了成本高昂和供应受限，无法支撑大规模产业化。

2. 完美的电学特性：关键的“能隙”

• 理想的能带隙：硅的能带隙大小（约1.12 eV）对于半导体来说“刚刚好”。

  • 如果太小（如锗，0.67 eV）：在室温下就容易因为热能产生过多的自由电子，导致漏电流较大，器件功耗高、不稳定。尤其是在高温下，性能会急剧下降。

  • 如果太大（如金刚石/碳，5.5 eV）：电流又极难导通，需要巨大的能量才能工作，不适合制造复杂的微电子器件。

  • 硅的能隙：使得硅器件可以在较高的温度下稳定工作，同时又能通过掺杂等手段精确控制其导电性，实现“开”和“关”的二进制状态。

3. 强大的“保护伞”：二氧化硅

这是硅一个独一无二、至关重要的优势。

• 高质量的自然绝缘层：硅可以通过热氧化工艺，在其表面生长出一层非常均匀、致密、绝缘性能极好的二氧化硅薄膜。

• 无可替代的作用：

  • 作为栅极绝缘层：这是MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管，现代芯片的基本构建单元）能够工作的核心。这层二氧化硅的质量直接决定了晶体管的性能和可靠性。

  • 作为掩模：在光刻和离子注入等工艺中，二氧化硅层可以作为完美的阻挡层。

  • 作为隔离层：在芯片内部隔离不同的器件和电路层。

• 对比：其他半导体材料（如锗）的天然氧化物不稳定、疏松、且易溶于水，无法提供这种高质量的保护和绝缘，这使得制造稳定可靠的集成电路变得极其困难。

4. 成熟的工艺与技术生态

• 先发优势与良性循环：自从硅基晶体管和集成电路被发明以来，全球整个半导体产业几十年的研发投入、设备开发、工艺优化和知识积累都围绕硅展开。

• 提纯和晶体生长技术：将沙子提纯到“电子级”高纯度硅（99.999999999%，
  11个9），并拉制成完美单晶硅棒的技术已经非常成熟和高效。

• 巨大的产业惯性：转向任何一种新材料，都意味着要重建整个技术体系、供应链和制造设备，成本是天文数字。除非硅的潜力被彻底耗尽，否则这种转变不会轻易发生。

那么，什么时候不用硅呢？

虽然硅是绝对主流，但在某些特定应用领域，其他“化合物半导体”材料因其特殊性能而胜出：

• 砷化镓：电子迁移率比硅高，适用于高频、高速电路，常用于射频芯片、功率放大器和部分光电器件。

• 氮化镓：具有更宽的能带隙，耐高压、耐高温，常用于大功率射频器件和快速充电器。

• 碳化硅：同样是宽禁带半导体，耐高压、高温性能极佳，主要用于电动汽车、轨道交通、智能电网等大功率电力电子器件。

• 磷化铟：用于高速光通信激光器和探测器。

总结一下：

您可以想象硅是一位各项成绩都是A的“全能学霸”，而其他材料可能是某一两门课的“特长生”（比如体育A+，但语文数学不及格）。对于制造承载复杂数字逻辑电路的晶圆来说，我们需要的是一个门门功课优秀、成本低、又容易合作的全能型选手。

因此，硅凭借其自然界的丰富储量、恰到好处的电学性能、独一无二的优质二氧化硅绝缘层，以及几十年积累的庞大产业生态，成为了制造晶圆不可撼动的首选材料。