第九十四章 芯片工藝
更新時間:2020-06-21 作者:嶺南仨人
銀河科技帝國 第九十四章 芯片工藝
對于信越、LG化學的垂死掙扎，黃豪杰沒有在意。 因為對于銀河科技而言，硅片的面積已經失去了意義。 如果需要，中子星公司隨時生產大面積的方晶片，所以就算是信越、LG化學他們研發出來18英寸圓晶片，也于事無補。 中子星材料公司的方晶片全面領先圓晶片，是勢不可擋的大勢，他們的垂死掙扎不過是螳臂當車罷了。 現在黃豪杰正在銀河科技的半導體研究所之中。 銀河科技自己招聘的一百多個半導體專業的畢業生，加上五個從國內半導體企業挖過來的工程師或者研究員，加上張汝京帶過來十幾個工程師和研究員。 盡管銀河科技的半導體研究所，現在只有一百多人，但是麻雀雖小，五臟俱全。 黃豪杰看著有條不紊的半導體研究所滿意的點了點頭。 “李想，你們對于C31搬運其他的芯片物質的機制，研究得怎么樣?” 李想提了提眼鏡略帶興奮的回道：“這個C31富勒烯可以搬運制作芯片的絕大部分原材料，其他一小部分就算是不能搬運，我們也可以采用可以搬運的原材料進行替代。” “非常好。” “老板，我覺得你的這個發明可以獲得炸藥獎。”一個地中海研究員贊嘆不已。 “炸藥獎又如何?我不需要這種東西。”黃豪杰不是真正的科班出身，對于炸藥獎這種東西并沒有太在意。 ……一眾研究員和工程師頓時無語凝噎，別人擠破腦袋都想獲得炸藥獎，自己老板倒好，一點都不在乎。 黃豪杰和一眾工程師，正在研發一種有別于目前的芯片工藝的芯片制作工藝。 一般來說，芯片制造廠的制作芯片，都是直接從硅片廠購買硅片的，而不會自己生產。 芯片制造廠先會檢查硅片，經過檢查無破損后即可投入生產線上，前期可能還有各種成膜工藝，然后就進入到涂抹光刻膠環節。 微影光刻工藝是一種圖形影印技術，也是集成電路制造工藝中一項關鍵工藝。 首先將光刻膠(感光性樹脂)滴在硅晶圓片上，通過高速旋轉均勻涂抹成光刻膠薄膜，并施加以適當的溫度固化光刻膠薄膜。 光刻膠是一種對光線、溫度、濕度十分敏感的材料，可以在光照后發生化學性質的改變，這是整個工藝的基礎。 接下來就是紫外線曝光。 就單項技術工藝來說，光刻工藝環節是最為復雜的，成本最為高昂的。 因為光刻模板、透鏡、光源共同決定了“印”在光刻膠上晶體管的尺寸大小。 將涂好光刻膠的硅片放入步進重復曝光機的曝光裝置中進行掩模圖形的“復制”。 掩模中有預先設計好的電路圖案，紫外線透過掩模經過特制透鏡折射后，在光刻膠層上形成掩模中的電路圖案。 一般來說，在硅片上得到的電路圖案是掩模上的圖案1/10、1/5、1/4，因此步進重復曝光機也稱為“縮小投影曝光裝置”。 而決定步進重復曝光機性能有兩大要素：一個是光的波長，另一個是透鏡的數值孔徑。 如果想要縮小硅片上的晶體管尺寸，就需要尋找能合理使用的波長更短的光(EUV，極紫外線)和數值孔徑更大的透鏡(受透鏡材質影響，有極限值)。 溶解部分光刻膠，對曝光后的硅片進行顯影處理。 以正光刻膠為例，噴射強堿性顯影液后，經紫外光照射的光刻膠會發生化學反應，在堿溶液作用下發生化學反應，溶解于顯影液中，而未被照射到的光刻膠圖形則會完整保留。 顯影完畢后，要對硅片表面的進行沖洗，送入烘箱進行熱處理，蒸發水分以及固化光刻膠。 然后進入蝕刻階段。 將硅片浸入內含蝕刻藥劑的特制刻蝕槽內，可以溶解掉暴露出來的硅片部分，而剩下的光刻膠保護著不需要蝕刻的部分。 期間施加超聲振動，加速去除硅片表面附著的雜質，防止刻蝕產物在硅片表面停留造成刻蝕不均勻。 下一步是清除光刻膠。 通過氧等離子體對光刻膠進行灰化處理，去除所有光刻膠。 此時就可以完成第一層設計好的電路圖案。 重復第6-8步，由于現在的晶體管已經3D FinFET設計，不可能一次性就能制作出所需的圖形，需要重復第6-8步進行處理，中間還會有各種成膜工藝(絕緣膜、金屬膜)參與到其中，以獲得最終的3D晶體管。 接下來是離子注入階段。 在特定的區域，有意識地導入特定雜質的過程稱為“雜質擴散”。 通過雜質擴散可以控制導電類型(P結、N結)之外，還可以用來控制雜質濃度以及分布。 現在一般采用離子注入法進行雜質擴散，在離子注入機中，將需要摻雜的導電性雜質導入電弧室，通過放電使其離子化，經過電場加速后，將數十到數千keV能量的離子束由硅片表面注入。 離子注入完畢后的硅片還需要經過熱處理，一方面利用熱擴散原理進一步將雜質“壓入”硅中，另一方面恢復晶格完整性，活化雜質電氣特性。 離子注入法具有加工溫度低，可均勻、大面積注入雜質，易于控制等優點，因此成為超大規模集成電路中不可缺少的工藝。 再次清除光刻膠。完成離子注入后，可以清除掉選擇性摻雜殘留下來的光刻膠掩模。 此時，單晶硅內部一小部分硅原子已經被替換成“雜質”元素，從而產生可自由電子或空穴。 絕緣層處理，此時晶體管雛形已經基本完成，利用氣相沉積法，在硅晶圓表面全面地沉積一層氧化硅膜，形成絕緣層。 同樣利用光刻掩模技術在層間絕緣膜上開孔，以便引出導體電極。 沉淀銅層，利用濺射沉積法，在硅片整個表面上沉積布線用的銅層，繼續使用光刻掩模技術對銅層進行雕刻，形成場效應管的源極、漏極、柵極。 最后在整個硅片表面沉積一層絕緣層以保護晶體管。 構建晶體管之間連接電路。 經過漫長的工藝，數以十億計的晶體管已經制作完成。 剩下的就是如何將這些晶體管連接起來的問題了。 同樣是先形成一層銅層，然后光刻掩模、蝕刻開孔等精細操作，再沉積下一層銅層。 這樣的工序反復進行多次，這要視乎芯片的晶體管規模、復制程度而定。 最終形成極其復雜的多層連接電路網絡。 由于現在IC包含各種精細化的元件以及龐大的互聯電路，結構非常復雜，實際電路層數已經高達30層，表面各種凹凸不平越來越多，高低差異很大，因此開發出CMP化學機械拋光技術。 每完成一層電路就進行CMP磨平。 另外為了順利完成多層Cu立體化布線，開發出大馬士革法新的布線方式，鍍上阻擋金屬層后，整體濺鍍Cu膜，再利用CMP將布線之外的Cu和阻擋金屬層去除干凈，形成所需布線。 芯片電路到此已經基本完成，其中經歷幾百道不同工藝加工，而且全部都是基于精細化操作，任何一個地方出錯都會導致整片硅片報廢，在100多平方毫米的硅片上制造出數十億個晶體管，是人類有文明以來的所有智慧的結晶。 而弄得這么復雜，幾百道工序下來，不過是為了在硅片上面，雕刻紋路，注入導電雜質，形成開關。 銀河科技帝國 第九十四章 芯片工藝
對于信越、LG化學的垂死掙扎，黃豪杰沒有在意。 因為對于銀河科技而言，硅片的面積已經失去了意義。 如果需要，中子星公司隨時生產大面積的方晶片，所以就算是信越、LG化學他們研發出來18英寸圓晶片，也于事無補。 中子星材料公司的方晶片全面領先圓晶片，是勢不可擋的大勢，他們的垂死掙扎不過是螳臂當車罷了。 現在黃豪杰正在銀河科技的半導體研究所之中。 銀河科技自己招聘的一百多個半導體專業的畢業生，加上五個從國內半導體企業挖過來的工程師或者研究員，加上張汝京帶過來十幾個工程師和研究員。 盡管銀河科技的半導體研究所，現在只有一百多人，但是麻雀雖小，五臟俱全。 黃豪杰看著有條不紊的半導體研究所滿意的點了點頭。 “李想，你們對于C31搬運其他的芯片物質的機制，研究得怎么樣?” 李想提了提眼鏡略帶興奮的回道：“這個C31富勒烯可以搬運制作芯片的絕大部分原材料，其他一小部分就算是不能搬運，我們也可以采用可以搬運的原材料進行替代。” “非常好。” “老板，我覺得你的這個發明可以獲得炸藥獎。”一個地中海研究員贊嘆不已。 “炸藥獎又如何?我不需要這種東西。”黃豪杰不是真正的科班出身，對于炸藥獎這種東西并沒有太在意。 ……一眾研究員和工程師頓時無語凝噎，別人擠破腦袋都想獲得炸藥獎，自己老板倒好，一點都不在乎。 黃豪杰和一眾工程師，正在研發一種有別于目前的芯片工藝的芯片制作工藝。 一般來說，芯片制造廠的制作芯片，都是直接從硅片廠購買硅片的，而不會自己生產。 芯片制造廠先會檢查硅片，經過檢查無破損后即可投入生產線上，前期可能還有各種成膜工藝，然后就進入到涂抹光刻膠環節。 微影光刻工藝是一種圖形影印技術，也是集成電路制造工藝中一項關鍵工藝。 首先將光刻膠(感光性樹脂)滴在硅晶圓片上，通過高速旋轉均勻涂抹成光刻膠薄膜，并施加以適當的溫度固化光刻膠薄膜。 光刻膠是一種對光線、溫度、濕度十分敏感的材料，可以在光照后發生化學性質的改變，這是整個工藝的基礎。 接下來就是紫外線曝光。 就單項技術工藝來說，光刻工藝環節是最為復雜的，成本最為高昂的。 因為光刻模板、透鏡、光源共同決定了“印”在光刻膠上晶體管的尺寸大小。 將涂好光刻膠的硅片放入步進重復曝光機的曝光裝置中進行掩模圖形的“復制”。 掩模中有預先設計好的電路圖案，紫外線透過掩模經過特制透鏡折射后，在光刻膠層上形成掩模中的電路圖案。 一般來說，在硅片上得到的電路圖案是掩模上的圖案1/10、1/5、1/4，因此步進重復曝光機也稱為“縮小投影曝光裝置”。 而決定步進重復曝光機性能有兩大要素：一個是光的波長，另一個是透鏡的數值孔徑。 如果想要縮小硅片上的晶體管尺寸，就需要尋找能合理使用的波長更短的光(EUV，極紫外線)和數值孔徑更大的透鏡(受透鏡材質影響，有極限值)。 溶解部分光刻膠，對曝光后的硅片進行顯影處理。 以正光刻膠為例，噴射強堿性顯影液后，經紫外光照射的光刻膠會發生化學反應，在堿溶液作用下發生化學反應，溶解于顯影液中，而未被照射到的光刻膠圖形則會完整保留。 顯影完畢后，要對硅片表面的進行沖洗，送入烘箱進行熱處理，蒸發水分以及固化光刻膠。 然后進入蝕刻階段。 將硅片浸入內含蝕刻藥劑的特制刻蝕槽內，可以溶解掉暴露出來的硅片部分，而剩下的光刻膠保護著不需要蝕刻的部分。 期間施加超聲振動，加速去除硅片表面附著的雜質，防止刻蝕產物在硅片表面停留造成刻蝕不均勻。 下一步是清除光刻膠。 通過氧等離子體對光刻膠進行灰化處理，去除所有光刻膠。 此時就可以完成第一層設計好的電路圖案。 重復第6-8步，由于現在的晶體管已經3D FinFET設計，不可能一次性就能制作出所需的圖形，需要重復第6-8步進行處理，中間還會有各種成膜工藝(絕緣膜、金屬膜)參與到其中，以獲得最終的3D晶體管。 接下來是離子注入階段。 在特定的區域，有意識地導入特定雜質的過程稱為“雜質擴散”。 通過雜質擴散可以控制導電類型(P結、N結)之外，還可以用來控制雜質濃度以及分布。 現在一般采用離子注入法進行雜質擴散，在離子注入機中，將需要摻雜的導電性雜質導入電弧室，通過放電使其離子化，經過電場加速后，將數十到數千keV能量的離子束由硅片表面注入。 離子注入完畢后的硅片還需要經過熱處理，一方面利用熱擴散原理進一步將雜質“壓入”硅中，另一方面恢復晶格完整性，活化雜質電氣特性。 離子注入法具有加工溫度低，可均勻、大面積注入雜質，易于控制等優點，因此成為超大規模集成電路中不可缺少的工藝。 再次清除光刻膠。完成離子注入后，可以清除掉選擇性摻雜殘留下來的光刻膠掩模。 此時，單晶硅內部一小部分硅原子已經被替換成“雜質”元素，從而產生可自由電子或空穴。 絕緣層處理，此時晶體管雛形已經基本完成，利用氣相沉積法，在硅晶圓表面全面地沉積一層氧化硅膜，形成絕緣層。 同樣利用光刻掩模技術在層間絕緣膜上開孔，以便引出導體電極。 沉淀銅層，利用濺射沉積法，在硅片整個表面上沉積布線用的銅層，繼續使用光刻掩模技術對銅層進行雕刻，形成場效應管的源極、漏極、柵極。 最后在整個硅片表面沉積一層絕緣層以保護晶體管。 構建晶體管之間連接電路。 經過漫長的工藝，數以十億計的晶體管已經制作完成。 剩下的就是如何將這些晶體管連接起來的問題了。 同樣是先形成一層銅層，然后光刻掩模、蝕刻開孔等精細操作，再沉積下一層銅層。 這樣的工序反復進行多次，這要視乎芯片的晶體管規模、復制程度而定。 最終形成極其復雜的多層連接電路網絡。 由于現在IC包含各種精細化的元件以及龐大的互聯電路，結構非常復雜，實際電路層數已經高達30層，表面各種凹凸不平越來越多，高低差異很大，因此開發出CMP化學機械拋光技術。 每完成一層電路就進行CMP磨平。 另外為了順利完成多層Cu立體化布線，開發出大馬士革法新的布線方式，鍍上阻擋金屬層后，整體濺鍍Cu膜，再利用CMP將布線之外的Cu和阻擋金屬層去除干凈，形成所需布線。 芯片電路到此已經基本完成，其中經歷幾百道不同工藝加工，而且全部都是基于精細化操作，任何一個地方出錯都會導致整片硅片報廢，在100多平方毫米的硅片上制造出數十億個晶體管，是人類有文明以來的所有智慧的結晶。 而弄得這么復雜，幾百道工序下來，不過是為了在硅片上面，雕刻紋路，注入導電雜質，形成開關。 銀河科技帝國 第九十四章 芯片工藝
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