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        芯片制作過程
        發布者: 發布時間:2013/11/13 閱讀:2446

        芯片的制造過程可概分為晶圓處理工序(Wafer Fabrication)、晶圓針測工序(Wafer Probe)、構裝工序(Packaging)、測試工序(Initial Test and Final Test)等幾個步驟。其中晶圓處理工序和晶圓針測工序為前段(Front End)工序,而構裝工序、測試工序為后段(Back End)工序。

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         1、晶圓處理工序:本工序的主要工作是在晶圓上制作電路及電子元件(如晶體管、電容、邏輯開關等),其處理程序通常與產品種類和所使用的技術有關,但一般基本步驟是先將晶圓適當清洗,再在其表面進行氧化及化學氣相沉積,然后進行涂膜、曝光、顯影、蝕刻、離子植入、金屬濺鍍等反復步驟,最終在晶圓上完成數層電路及元件加工與制作。

         

            2、晶圓針測工序:經過上道工序后,晶圓上就形成了一個個的小格,即晶粒,一般情況下,為便于測試,提高效率,同一片晶圓上制作同一品種、規格的產品;但也可根據需要制作幾種不同品種、規格的產品。在用針測(Probe)儀對每個晶粒檢測其電氣特性,并將不合格的晶粒標上記號后,將晶圓切開,分割成一顆顆單獨的晶粒,再按其電氣特性分類,裝入不同的托盤中,不合格的晶粒則舍棄。

            

            3、構裝工序:就是將單個的晶粒固定在塑膠或陶瓷制的芯片基座上,并把晶粒上蝕刻出的一些引接線端與基座底部伸出的插腳連接,以作為與外界電路板連接之用,最后蓋上塑膠蓋板,用膠水封死。其目的是用以保護晶粒避免受到機械刮傷或高溫破壞。到此才算制成了一塊集成電路芯片(即我們在電腦里可以看到的那些黑色或褐色,兩邊或四邊帶有許多插腳或引線的矩形小塊)。

            

            4、測試工序:芯片制造的最后一道工序為測試,其又可分為一般測試和特殊測試,前者是將封裝后的芯片置于各種環境下測試其電氣特性,如消耗功率、運行速度、耐壓度等。經測試后的芯片,依其電氣特性劃分為不同等級。而特殊測試則是根據客戶特殊需求的技術參數,從相近參數規格、品種中拿出部分芯片,做有針對性的專門測試,看是否能滿足客戶的特殊需求,以決定是否須為客戶設計專用芯片。經一般測試合格的產品貼上規格、型號及出廠日期等標識的標簽并加以包裝后即可出廠。而未通過測試的芯片則視其達到的參數情況定作降級品或廢品。



        制造芯片的基本原料

          制造芯片的基本原料:硅、金屬材料(鋁主要金屬材料,電遷移特性要好.銅互連技術可以減小芯片面積,同時由于銅導體的電阻更低,其上電流通過的速度也更快)、化學原料。

        芯片制造的準備階段

        在必備原材料的采集工作完畢之后,這些原材料中的一部分需要進行一些預處理工作。作為最主要的原料,硅的處理工作至關重要。首先,硅原料要進行化學提純,這一步驟使其達到可供半導體工業使用的原料級別。為了使這些硅原料能夠滿足集成電路制造的加工需要,還必須將其整形,這一步是通過溶化硅原料,然后將液態硅注入大型高溫石英容器來完成的。

          而后,將原料進行高溫溶化為了達到高性能處理器的要求,整塊硅原料必須高度純凈,及單晶硅。然后從高溫容器中采用旋轉拉伸的方式將硅原料取出,此時一個圓柱體的硅錠就產生了。從目前所使用的工藝來看,硅錠圓形橫截面的直徑為200毫米。在保留硅錠的各種特性不變的情況下增加橫截面的面積是具有相當的難度的,不過只要企業肯投入大批資金來研究,還是可以實現的。intel為研制和生產300毫米硅錠建立的工廠耗費了大約35億美元,新技術的成功使得intel可以制造復雜程度更高,功能更強大的集成電路芯片,200毫米硅錠的工廠也耗費了15億美元。下面就從硅錠的切片開始介紹芯片的制造過程。


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        在制成硅錠并確保其是一個絕對的圓柱體之后,下一個步驟就是將這個圓柱體硅錠切片,切片越薄,用料越省,自然可以生產的處理器芯片就更多。切片還要鏡面精加工的處理來確保表面絕對光滑,之后檢查是否有扭曲或其它問題。這一步的質量檢驗尤為重要,它直接決定了成品芯片的質量。

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        新的切片中要摻入一些物質,使之成為真正的半導體材料,然后在其上刻劃代表著各種邏輯功能的晶體管電路。摻入的物質原子進入硅原子之間的空隙,彼此之間發生原子力的作用,從而使得硅原料具有半導體的特性。今天的半導體制造多選擇CMOS工藝(互補型金屬氧化物半導體)。其中互補一詞表示半導體中N型MOS管和P型MOS管之間的交互作用。N和P在電子工藝中分別代表負極和正極。多數情況下,切片被摻入化學物質形成P型襯底,在其上刻劃的邏輯電路要遵循nMOS電路的特性來設計,這種類型的晶體管空間利用率更高也更加節能。同時在多數情況下,必須盡量限制pMOS型晶體管的出現,因為在制造過程的后期,需要將N型材料植入P型襯底當中,這一過程會導致pMOS管的形成。

        在摻入化學物質的工作完成之后,標準的切片就完成了。然后將每一個切片放入高溫爐中加熱,通過控制加溫時間使得切片表面生成一層二氧化硅膜。通過密切監測溫度,空氣成分和加溫時間,該二氧化硅層的厚度是可以控制的。在intel的90納米制造工藝中,門氧化物的寬度小到了驚人的5個原子厚度。這一層門電路也是晶體管門電路的一部分,晶體管門電路的作用是控制其間電子的流動,通過對門電壓的控制,電子的流動被嚴格控制,而不論輸入輸出端口電壓的大小。準備工作的最后一道工序是在二氧化硅層上覆蓋一個感光層。這一層物質用于同一層中的其它控制應用。這層物質在干燥時具有很好的感光效果,而且在光刻蝕過程結束之后,能夠通過化學方法將其溶解并除去。

        光刻蝕

        光刻蝕是芯片制造過程中工藝非常復雜的一個步驟,為什么這么說呢?光刻蝕過程就是使用一定波長的光在感光層中刻出相應的刻痕,由此改變該處材料的化學特性。這項技術對于所用光的波長要求極為嚴格,需要使用短波長的紫外線和大曲率的透鏡?涛g過程還會受到晶圓上的污點的影響。每一步刻蝕都是一個復雜精細的過程。設計每一步過程的所需要的數據量都可以用10GB的單位來計量,而且制造每塊處理器所需要的刻蝕步驟都超過20步(每一步進行一層刻蝕)。而且每一層刻蝕的圖紙如果放大許多倍的話,可以和整個紐約市外加郊區范圍的地圖相比,甚至還要復雜,試想一下,把整個紐約地圖縮小到實際面積大小只有100個平方毫米的芯片上,那么這個芯片的結構有多么復雜,可想而知了。

        當這些刻蝕工作全部完成之后,晶圓被翻轉過來。短波長光線透過石英模板上鏤空的刻痕照射到晶圓的感光層上,然后撤掉光線和模板。通過化學方法除去暴露在外邊的感光層物質,二氧化硅馬上在陋空位置的下方生成。 

        摻雜 


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        在殘留的感光層物質被去除之后,剩下的就是充滿的溝壑的二氧化硅層以及暴露出來的在該層下方的硅層。這一步之后,另一個二氧化硅層制作完成。然后,加入另一個帶有感光層的多晶硅層。多晶硅是門電路的另一種類型。由于此處使用到了金屬原料(因此稱作金屬氧化物半導體),多晶硅允許在晶體管隊列端口電壓起作用之前建立門電路。感光層同時還要被短波長光線透過掩?涛g。再經過一部刻蝕,所需的全部門電路就已經基本成型了。然后,要對暴露在外的硅層通過化學方式進行離子轟擊,此處的目的是生成N溝道或P溝道。這個摻雜過程創建了全部的晶體管及彼此間的電路連接,沒個晶體管都有輸入端和輸出端,兩端之間被稱作端口。

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        圖片重復這一過程

          從這一步起,將持續添加層級,加入一個二氧化硅層,然后光刻一次。重復這些步驟,然后就出現了一個多層立體架構,這就是你目前使用的處理器的萌芽狀態了。在每層之間采用金屬涂膜的技術進行層間的導電連接。

        接下來的幾個星期就需要對晶圓進行一關接一關的測試,包括檢測晶圓的電學特性,看是否有邏輯錯誤,如果有,是在哪一層出現的等等。而后,晶圓上每一個出現問題的芯片單元將被單獨測試來確定該芯片有否特殊加工需要。


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        而后,整片的晶圓被切割成一個個獨立的處理器芯片單元。在最初測試中,那些檢測不合格的單元將被遺棄。這些被切割下來的芯片單元將被采用某種方式進行封裝,這樣它就可以順利的插入某種接口規格的主板了。在芯片的包裝過程完成之后,許多產品還要再進行一次測試來確保先前的制作過程無一疏漏,且產品完全遵照規格所述,沒有偏差。

         
         

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