半导体芯片制作技术

《半导体芯片制造技术》全面系统地介绍了半导体芯片制造技术，内容包括半导体芯片制造概述、多晶半导体的制备、单晶半导体的制备、晶圆制备、薄膜制备、金属有机物化学气相沉积、光刻、刻蚀、掺杂及封装。书中简要介绍了半导体芯片制造的基本理论基础，系统介绍了多晶半导体、单晶半导体与晶圆的制备，详细介绍了薄膜制备、光刻与刻蚀及掺杂等工艺。

• 第一部分
  • 晶圆制备工艺
    • 硅棒
      • 截断：去除籽晶
      • 直径滚磨、磨定位面、切片
    • 晶圆
      • 磨片：去除瑕疵，提高平整度&平行度
      • 倒角，抛光：
        • 氧化镁进行粗抛，其目的是去除硅片表面残留的机械损伤，一般要求从表面除去30μm的厚度。第二次抛光用二氧化硅进行细抛，其目的是去除第一次抛光在硅片表面留下的轻微损伤和云雾状缺陷，要求从表面除去2～3μm的厚度。
      • 清洗
        • 清洗硅片的一般步骤为：去分子型杂质→去离子型杂质→去原子型杂质→高纯水清洗。
      • 质检和包装
        • 重要的硅片质量要求包括：物理尺寸、平整度、微粒粗糙度、氧含量、晶体缺陷、颗粒以及体电阻率。
• 第二部分
  • 薄膜制备
    • 半导体薄膜
      • 材料有哪些
        • 半导体器件制备过程中要使用多种类型的薄膜来达到特定的作用，包括介质膜、半导体膜、导体膜以及超导体膜等。介质膜的材料有：SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3、磷硅玻璃（PSG）、硼磷硅玻璃（BPSG）和Si3N4。半导体膜的材料有：Si、Ge、GaAs、GaP、AlN、InAs和V2O3。导体膜的材料有：Al、Ni、Au、Pt、Ti、W、Mo、WSi2和掺杂多晶硅。超导体膜的材料有：Nb3Sn、NbN和Nb4N5。
      • 制备工艺：氧化、化学气相沉积以及物理气相沉积等
• 第三部分
  • 光刻
    • 光刻（Photo Etching）是指通过匀胶、曝光、显影等一系列工艺步骤，将晶圆表面薄膜的特定部分除去而留下带有微图形结构的薄膜，完成将设计好的电路图形从光刻板上转移到晶圆片表面光刻胶上的工艺。总的来说，光刻是将图形转移的一个复制过程。 光刻胶的作用是将光刻板上的图形转移到硅片表面的氧化层中，在后续工序中，保护下面的材料。
    • 工艺
      • 涂光刻胶
        • 光刻胶的作用是将光刻板上的图形转移到硅片表面的氧化层中，在后续工序中，保护下面的材料。 分辨率：分辨率是指区别半导体晶片表面相邻图形特征的能力。一般用关键尺寸（Critical Dimension，CD）来衡量分辨率。形成的关键尺寸越小，光刻胶的分辨率越好。
      • 前烘
        • 前烘也称软烘（Soft Bake），在晶圆片上涂布光刻胶后，晶圆片要经过前烘的步骤。主要作用有3个。 （1）将晶圆片上的溶剂进一步去除，干燥光刻胶。 （2）增强光刻胶与晶圆片之间的黏附性。 （3）缓和在旋转过程中光刻胶膜内产生的应力。
      • 曝光
        • 洁净室的灯光也经过黄色的透光系统过滤，可以过滤掉灯光中大部分的短波能量，因此光刻室通常呈现黄色。
      • 显影
        • 用化学显影液溶解光刻胶经过曝光后可溶解区域的过程称为显影，其主要目的是将光刻板上的图形用光刻胶精确地复制到晶圆片上，即溶解掉不需要的光刻胶，从而在光刻胶膜上获得所需要的图形。
      • 坚膜
        • 显影后的热烘焙称做坚膜，又称后烘或硬烘焙。经过显影的胶膜发生了软化和膨胀，胶膜与晶圆表面黏附力下降，为了保证下一道刻蚀工序能顺利进行，使光刻胶和晶圆表面更好地黏结，必须进一步蒸发掉剩余的溶剂使光刻胶变硬，即通过坚膜处理提高光刻胶对晶圆片的黏附性，为下一步的工艺加工做好准备。
    • 技术壁垒:光源、镜头、对准等
    • 光刻巨人：荷兰阿斯麦ASML
      • 但是阿斯麦的股东几乎都是美国公司；且阿斯麦光刻机的技术是英特尔等公司研发的，后来技术转让给阿斯麦，这就是为什么美国目前可以限制中国的芯片行业。
    • 中国的机会
      • 上海微电子SMEE：坚持对硬件的研发投入
        • 2018年11月29日，国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”通过验收。该光刻机由中国科学院光电技术研究所研制，光刻分辨力达到22纳米，结合双重曝光技术后，未来还可用于制造10纳米级别的芯片。
      • 5G的进入补足芯片硬件的不足
• 第四部分
  • 刻蚀
    • 什么是刻蚀
      • 刻蚀（Etch）是指将晶圆上没有被光刻胶覆盖或保护的部分，以化学反应或物理作用的形式加以去除，完成将图形转移到晶圆片表面上的工艺过程。在半导体制造工艺中，刻蚀与光刻相联系，是一种主要的图形化处理工艺。
    • 刻蚀工艺
      • 干法刻蚀
        • 干法刻蚀是指利用等离子体激活或高能离子束轰击的方式来去除物质。由于在刻蚀中不使用液体，所以称为干法刻蚀。
      • 湿法刻蚀
        • 最早的刻蚀技术是利用溶液与薄膜间所进行的化学反应，来去除薄膜未被光刻胶覆盖的部分，从而达到刻蚀的目的，这种刻蚀方式就是所谓的湿法刻蚀技术。湿法刻蚀又称为湿化学腐蚀，是一种纯化学刻蚀。湿法刻蚀的反应产物必须是气体或可溶于刻蚀剂的物质，否则会造成反应物的沉淀，影响刻蚀的正常进行。湿法刻蚀可以控制刻蚀液的化学成分，使得刻蚀液对特定薄膜材料的刻蚀速率远大于对其他材料的刻蚀速率，从而提高刻蚀的选择性。湿法刻蚀的主要参数包括刻蚀液浓度、刻蚀时间、反应温度及溶液的搅拌方式等。
    • 偏差
      • 钻蚀
        • 侧向刻蚀
      • 过剩
        • 纵向刻蚀
• 第五部分
  • 封装
    • 晶圆的贴膜切割
      • 晶圆贴膜切割的主要作用是将晶圆上做好的晶粒切割分开成单个，以便后续的工作。在切割之前，要先将晶圆贴在晶圆框架的胶膜上，胶膜具有固定晶粒的作用，避免在切割时晶粒受力不均而造成切割品质不良，同时切割完成后可确保在运送过程中晶粒不会脱落或相互碰撞。晶圆切割主要是利用刀具，配合高速旋转的主轴马达，加上精密的视觉定位系统，进行切割工作。
    • 打码
      • 打码就是在封装模块的顶表面印上去不掉的、字迹清楚的字母和标识，包括制造商的信息、国家以及器件代码等，主要是为了识别并可跟踪。
    • 测试
    • 包装
• 第六部分
  • MEMS
    • 什么是MEMS
      • MEMS全称Micro Electromechanical System，微机电系统。是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、动作器（执 行器）和微能源三大部分组成。
    • 硅片/玻璃的刻蚀工艺
      • 干法刻蚀
      • 湿法刻蚀
      • 喷砂
        • 湿式喷砂法是把水和磨料按一定比例混合成浆料，送至喷枪，由另一人口导人的压缩空气使浆料加速，喷射到被加工件上而加工的方法。所用磨料根据加工目的不同可选择陶瓷、玻璃、树脂等。例如去毛边、表面粗化等加工，可用高硬度的多角形粒子，如刚铝石、金刚砂；提高金属表面硬度和机械强度的表面强化加工，可用球状的玻璃、陶瓷粒子等；轻微的洗净或工件本身不想被损伤，仅除去毛刺等，可用球状或不定形的树脂粒子。
    • 键合工艺
      • 以上介绍的一些硅片键合技术，都有各自的优点和缺点，可以根据情况选择使用。比如，静电键合大多数用于密封封接，作为传感器芯片的一部分，但这可能会存在电信号干扰；采用硅-硅直接键合就不存在静电问题，也没有玻璃与硅片热胀系数不同而带来的应力问题，并且工艺简单。但是在这方面的应用还不成熟。其实，不论哪种技术，都需要继续研究探索，需要从实际应用中积累经验，扩展应用领域，甚至发现其它的硅片键合技术。
      • 硅片+硅片的键合
        • 共熔键合
        • 直接键合
      • 硅片+玻璃的键合
        • 阳极键合
          • 阳极键合对被连接材料的表面光洁度有较高的要求，因此，键合开始前的首要工作就是对材料表面进行处理，通常要求材料表面粗糙度低于50 nm，平行度小于5 μm；其次用50~80 ℃的RCA溶液(NH4OH: H2O2: H2O=1: 1: 5)清洗被连接晶片，并用去离子水漂洗，最后用纯氮气吹干.以玻璃和硅片键合为例，将所要连接的玻璃与硅片相互重叠放置在键合设备中，玻璃与阴极连接，硅片与阳极连接，如图 1所示.实验前调整键合参数，包括预热温度200~400 ℃、预设电压500~800 V、键合压力0.1~1 MPa，键合时间6~15 min.在键合过程中，根据需要可以施加氮气保护。 阳极键合的过程实质是一种物理热运动及固体电化学反应的集合，而在550 ℃以下的阳极键合称为低温键合.以硅和微晶玻璃为例，常温下这两种材料导电率很低，不能完成键合，但温度对玻璃导电性的影响很大.在实验前对材料进行加热(低于软化点温度)，玻璃内部的Na+被激活并向阴极移动，在靠近阳极一面的玻璃界面形成了被极化的碱金属离子(主要是Na+)耗尽层，造成大量负电荷(O2-)在这一面堆积，因而这一耗尽层内部产生了一个强电场(高达10 6V/cm)[8].在强静电场作用下，玻璃与硅片之间形成强大的静电吸引；在玻璃受热后弹性变形和粘性流动下，玻璃与硅片表面紧密贴合.与此同时，在玻璃/硅连接处O2-与硅发生不可逆的化学反应，形成了—Si—O—Si—键，并与玻璃耗尽层的O2-和内部结构形成硅/氧化合物，随着键合过程的进行，耗尽层逐渐增大，电场达到平衡，完成键合。
        • 焊烧键合
      • 胶键合
• 延申学习
  • 光刻巨人读书感
    • 什么是光刻机
      • 光刻机（Mask Aligner) 又名：掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等，是制造芯片的核心装备。它采用类似照片冲印的技术，把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上。
    • 光刻机市场
      • 第一梯队（极紫外光（EUV），10 ~ 15 nm）：荷兰阿斯麦ASML
      • 第二梯队（深紫外光DUA、KrF、ArF）：日本尼康、佳能等
      • 第三梯队：上海微电子SMEE
    • 阿斯麦ASML的技术背景
      • 飞利浦团队原班人马
        • 股东：英特尔、三星、台积电等
      • 技术壁垒攻破
        • 光源技术：英特尔等支持
        • 镜头技术：德国卡尔蔡司
        • 对准技术：荷兰飞利浦支持
    • 两个转折
      • 台积电
        • 林本坚
          • 光刻机厂商都是采用传统干式微影方案，而林本坚则提出了沉浸式光刻方案。沉浸式光刻方案相比干式微影方案，因为有水的加入、激光可以实现更多次折射，光源直接越过157nm来到了132nm 级别。由此开始，ASML一直对日本厂商在技术上保持着一代以上的领先。
          • 沉浸式光刻机的研发
            • 实现台积电和阿斯麦的共赢
      • 英特尔
        • EUA技术突破
          • 1997年，英特尔和美国能源部牵头，成立了一个研究组织叫做“极紫外联盟”（EUV LLC），成员包括当时还如日中天的摩托罗拉、AMD，以及美国三大国家实验室；总投资两亿美元，集合几百位顶级科学家，从理论上验证极紫外技术的可行性。 从1997~2003年的6年之内，极紫外联盟的科学家发表了几百篇论文，扫清了极紫外技术的理论难题，只需要光刻机厂商把技术落地了。
          • 使得阿斯麦成本高端光刻机EUA实现100%市场占有率
• 小钱学微流控
• 半导体芯片制作技术