半导体芯片的制造过程和设备

中国每年进口芯片超过2 000亿美元，硬件工程师对芯片各种封装都了解不少，TO工程师也知道TIA 使用裸Die，不少应用级的设计人员对芯片制造过程却不太了解。

建设一条半导体产线要几十亿上百亿美元，这是一个专家云集的高精尖领域，CMOS是半导体芯片最基础的一个器件，一个针尖就有3 000万个CMOS，而一个CMOS器件需要上百道制造流程，想想就不简单。

笔者花了两三年才逐渐弄明白……所以也不解释PMOS阱+NMOS阱如何成为CMOS的，头发丝粗70 μm，一个横截面能放3 000个器件，如此咱们边聊边看图。

半导体公司设计生产一体，有单独的设计公司，也有制造代工企业，如台积电、中芯国际等，MAXIM考虑卖掉半导体生产线，Fabless成为不可避免的 潮流。

复杂繁琐的芯片设计流程略去不表。

简单地说，芯片的制造过程可以分为沙子原料（石英）、硅锭、晶圆、光刻、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试、包装等诸多步骤，而且每一步里边又包含更多细致的过程。

沙子：硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子（尤其是石英）最多包含25%的硅元素，以二氧化硅（SiO2）的形式存在，这也是半导体制造产业的基础。

硅熔炼：12 in/300 mm晶圆级（下同）。通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，学名电子级硅（EGS），平均每100万个硅原子中最多只有一个杂质原子。下图展示了如何通过硅净化熔炼得到大晶体，最后得到的就是硅锭（Ingot）。

单晶硅锭：整体基本呈圆柱形，重约100 kg，硅纯度99.999 9%。

硅锭切割：横向切割成圆形的单个硅片，也就是常说的晶圆（Wafer）。这下知道为什么晶圆都是圆形的了吧！

晶圆：切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。真圆啊……

光刻胶（Photo Resist）：在晶圆旋转过程中浇上光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺得非常薄、非常平。

光刻：光刻胶层随后透过掩模（Mask）被曝光在紫外线（UV）之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路 图案。

光刻：由此进入50～200 nm尺寸级别的晶体管。晶体管相当于开关，控制着电流的方向。现在的晶体管已经如此之小，一个针头上就能放下大约 3 000万个。

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。

蚀刻：使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。

清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。(www.xing528.com)

再次光刻胶：再次浇上光刻胶，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。

离子注入：在真空系统中，用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万km/h。

清除光刻胶：离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区域也已掺杂，注入了不同的原子。这时候的颜色和之前已经有所不同。

晶体管就绪：至此，晶体管已经基本完成。在绝缘材上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其他晶体管互连。

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）。

铜层：电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。

抛光：将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。

金属层：晶体管级别，6个晶体管的组合，大约500 nm。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来异常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络，形如未来派的多层高速公路系统。

晶圆切片：晶圆级别，300 mm/12 in。将晶圆切割成块，每一块就是芯片的内核（Die）。TO can封装的跨阻放大器就是Die的形式。

丢弃瑕疵内核：晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步。

封装：

芯片：这种在世界上最干净的房间里制造出来的最复杂的产品实际上是经过数百个步骤得来的。

前一段某单位大侠朋友圈晒图，说最洁净的工作环境，是抵抗雾霾的利器。羡煞旁人。

等级测试：最后一次测试，可以鉴别出每一颗处理器的关键特性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定芯片的等级。

芯片设计设备：① 单晶炉，德国PVA TePla AG公司、日本Ferrotec公司、美国QUANTUM DESIGN公司 ……② 气相外延炉，美国CVD Equipment公司、美国GT公司、法国Soitec公司……③ 分子束外延系统，法国Riber公司、美国Veeco公司、芬兰DCA Instruments公司……④ 氧化炉，英国Thermco公司、德国Centrotherm thermalsolutions GmbH Co.KG公司……⑤ 低压化学气相沉积系统，日本日立国际电气公司……⑥ 等离子体增强化学气相淀积系统，美国Proto Flex公司、日本Tokki公司、日本岛津公司……⑦ 磁控溅射台，美国PVD公司、美国Vaportech公司、美国AMAT公司……⑧ 化学机械抛光机，美国Applied Materials公司、美国诺发系统公司、美国Rtec公司……⑨ 光刻机，荷兰阿斯麦（ASML）公司、美国泛林半导体公司、日本尼康公司…… ⑩ 反应离子刻蚀系统，日本Evatech公司、美国NANOMASTER公司、新加坡REC公司…… CP等离子体刻蚀系统，英国牛津仪器公司、美国Torr公司、美国Gatan公司…… 离子注入机，美国维利安半导体设备公司、美国CHA公司、美国AMAT公司…… 探针测试台，德国Ingun公司、美国QA公司、美国MicroXact公司…… 晶片减薄机，日本DISCO公司、德国G&N公司、日本OKAMOTO公司…… 晶圆划片机，德国OEG公司、日本DISCO公司……