PS:前小半部分主要講晶片製造過程。所以介意的人可以咕咕……畢竟大家掙錢都不容易!後面大部分則是晶片被製造出來之後餘子賢等人成就感。本來晶片製造不想寫這麼詳細,但是作為一本寫晶片工業的書,不寫總感覺缺了點什麼,所以應該不能算水(狗頭保命~.~以後製造部分就不這麼寫了)。
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從生產線通電投運的剎那,矽就開始了它從矽錠到晶片的第二段旅程。
其實整個晶片的製造過程,可以看成是矽從沙子到晶片的奇妙旅程。
因為晶片的原料是矽,也就是類似砂子的材質。
半導體原材料粗矽的純度是98%,但是晶片對矽晶圓純度的要求卻高達99.9999999%!也就是雜質的比重不能超過十億分之一。
作為比較,我們常說的萬足金(9999黃金)純度也“才只有”99.99%。
將石英砂轉化成粗矽,並“提煉”成高純度多晶矽,然後在融熔態的多晶矽中放入晶種,旋轉拉出圓柱形的單晶矽棒(原理和棉花糖的變大的過程沒有什麼本質的區別,只是工藝控制天差地別)。
晶胚再經過研磨、拋光、切片等程式,切割成一片一片薄薄的晶圓。而切割出來的晶圓直徑則決定了這些晶圓需要應用與之匹配的晶圓廠去。一般我們說的幾寸的晶圓廠,就指的是矽晶圓的直徑。
晶圓面積越大,在製造同一工藝標準的晶片時,可以切出越多的晶片,也就代表著這座晶圓廠的技術約好。
而目前晶圓尺寸已經經過了2英寸(50mm)到3英寸(76mm、4英寸(101mm,通常稱為100mm晶圓、6英寸(150mm)的技術發展,甚至8英寸(200mm)的技術也在實驗室條件下實現工藝貫通。
1991年的當前,已經實現商業化生產的當屬6英寸晶圓(1989年開始商業化),而更為先進的8英寸工藝還在實驗室,按照歷史發展,要到明年才會投入商業生產執行。
目前香積電的4英寸晶圓工藝,是發展於八十年代初的工藝,此時已經有些落後。但是,在餘子賢的能力範圍之內,這是能夠搞到的最先進的工藝了。
與“大晶圓”不同,電晶體與導線的尺寸縮小也就是線寬則是越小越好,也就是俗稱的“小執行緒”。隨著晶片技術的進步,電路線寬越來越小,直達微米以下奈米級數。
“大晶圓”和“小執行緒”這兩種方式都可以在一片晶圓上,製作出更多的矽晶粒,提高品質與降低成本。
是不是感覺很複雜?但到這一步,還不夠刻印半個電路!
不過,像香積電這樣的晶片製造廠,只需要負責“小執行緒”就行了。因為“大晶圓”一般直接由曰本信越、美國應用材料等公司直接壟斷供應。
你只需要按照自己生產線對應的晶圓尺寸想這些晶圓材料供應廠家下單就行了,他們會送貨上門。
取得晶圓之後,在它上面鍍一層導電薄膜,再塗布一層感光劑。然後,將電路底片放在上面,並進行曝光,電路部分進行顯影反應。隨後,用化學試劑沖掉沒有反應的感光層,便能夠在晶圓導電薄膜蝕刻出一條條電路。
電路底片,業內稱為掩模板(俗稱光罩);當然,晶片電路複雜,可能包含數以千萬計的電晶體,即使把掩模板造成一張桌子那麼大,再縮影到小小的晶片上,單單一個掩模板也亦未必能一次投影好。因此,加工過程中要將電路設計分成多個掩模板,重複上面的流程,直至蝕刻完成為止。
而這光刻程式中其中用到合成甲酚醛樹脂、合成感光(層)劑、配膠等等都是光刻膠的三大成分。
光刻完成之後就是離子注入。在矽晶圓製造過程中不同位置加入不同的雜質,不同雜質根據濃度/位置的不同就組成了場效電晶體——晶片的最小單元電晶體!邏輯處理器晶片就是幾百萬、幾千萬甚至上億個這樣的多層電晶體像建樓房一樣有組織的疊放起來組成的。
當然在光刻過程中形成的形狀,也會有許多其實不是我們需要的,而是為了離子注入而蝕刻的。蝕刻就要用等離子體把他們洗掉,或者是一些第一步光刻先不需要刻出來的結構,這一步進行蝕刻。
可是完成之後,就需要多晶片就行清洗,當然不是用水或者什麼東西清洗,而是等離子沖洗(用較弱的等離子束轟擊整個晶片——這就是等離子沖洗工序。
之後就是熱處理。透過快速熱退火(就是瞬間把整個片子透過大功率燈啥的照到1200攝氏度以上,然後慢慢地冷卻下來,為了使得注入的離子能更好的被啟動以及熱氧化)、熱氧化(製造出二氧化矽,也即場效電晶體的柵極門)等完成電晶體的固化。
接著透過化學氣相澱積(CVD進一步精細處理表面的各種物質、物理氣相澱積(PVD等工序給敏感部件加塗層。
最後再經過電鍍處理、化學/機械錶面處理、裸晶(或者晶粒)測試、晶圓打磨分割就可以出廠封裝了。
整個晶片製造過程中,光刻工序是時間和成本佔比超過30%的最關鍵流程。
香積電巨大的潔淨廠房生產區域內,各分割槽人員各司其職,緊張的盯著自己裝置的操作介面和監控介面。
此時,距離第一批晶片生產已經接近尾聲了……已經開始進行晶圓(裸晶或者晶粒)的測試了。
晶圓的半導體測試工藝屬於半導體產業的關鍵領域,半導體測試包括CP(Circuit Probe電路探測)測試,CP測試也稱晶圓測試(wafer test,是半導體器件後道封裝測試的第一步,目的是將晶圓中的不良晶片挑選出來。
通常,在晶圓測試步驟中,就需要對所述晶片進行電性測試,以確保在封裝之前,晶圓上的晶片是合格產品,所以晶圓測試是晶片生產良率統計的關鍵資料之一。
在晶圓測試分割槽,餘子賢和曹飛,鹿島智樹、包括李斯特等人都在焦急的等待著第一片晶圓上合格晶片的資料統計。