首頁 關於芯片製造工藝過程

關於芯片製造工藝過程

             芯片的製造過程可概分為晶圓處理工序(Wafer Fabrication)晶圓測試工序(Wafer Probe)封裝工序(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測試工序為前段(Front End)工序,而封裝工序、測試工序為後段(Back End)工序。


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 製造芯片的基本原料 

           製造芯片的基本原料:矽、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麵積,同時由於銅導體的電阻更低,其上電流通過的速度也更快)化學原料等。

芯片製造的準備階段 

           在必備原材料的采集工作完畢之後,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,矽的處理工作至關重要。首先,矽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。為了使這些矽原料能夠滿足集成電路製造的加工需要,還必須將其整形,這一步是通過溶化矽原料,然後將液態矽注入大型高溫石英容器來完成的。

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            而後,將原料進行高溫溶化為了達到高性能處理器的要求,整塊矽原料必須高度純淨,及單晶矽。然後從高溫容器中采用旋轉拉伸的方式將矽原料取出,此時一個圓柱體的矽錠就產生了。從目前所使用的工藝來看,矽錠圓形橫截麵的直徑為200毫米。在保留矽錠的各種特性不變的情況下增加橫截麵的麵積是具有相當的難度的,不過隻要企業肯投入大批資金來研究,還是可以實現的。

 “下麵就從矽錠的切片開始介紹芯片的製造過程。”


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           在製成矽錠並確保其是一個絕對的圓柱體之後,下一個步驟就是將這個圓柱體矽錠切片,切片越薄,用料越省,自然可以生產的處理器芯片就更多。切片還要鏡麵精加工的處理來確保表麵絕對光滑,之後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,然後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矽原子之間的空隙,彼此之間發生原子力的作用,從而使得矽原料具有半導體的特性。今天的半導體製造多選擇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,必須盡量限製pMOS型晶體管的出現,因為在製造過程的後期,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後,標準的切片就完成了。然後將每一個切片放入高溫爐中加熱,通過控製加溫時間使得切片表麵生成一層二氧化矽膜。通過密切監測溫度,空氣成分和加溫時間,該二氧化矽層的厚度是可以控製的。在intel的90納米製造工藝中,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製其間電子的流動,通過對門電壓的控製,電子的流動被嚴格控製,而不論輸入輸出端口電壓的大小。準備工作的最後一道工序是在二氧化矽層上覆蓋一個感光層。這一層物質用於同一層中的其它控製應用。這層物質在幹燥時具有很好的感光效果,而且在光刻蝕過程結束之後,能夠通過化學方法將其溶解並除去。

 光刻蝕 

           光刻蝕是芯片製造過程中工藝非常複雜的一個步驟,為什麽這麽說呢?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。這項技術對於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。刻蝕過程還會受到晶圓上的汙點的影響。每一步刻蝕都是一個複雜精細的過程。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,而且製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範圍的地圖相比,甚至還要複雜,試想一下,把整個紐約地圖縮小到實際麵積大小隻有100個平方毫米的芯片上,那麽這個芯片的結構有多麽複雜,可想而知了。

           當這些刻蝕工作全部完成之後,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,然後撤掉光線和模板。通過化學方法除去暴露在外邊的感光層物質,二氧化矽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後,剩下的就是充滿的溝壑的二氧化矽層以及暴露出來的在該層下方的矽層。這一步之後,另一個二氧化矽層製作完成。然後,加入另一個帶有感光層的多晶矽層。多晶矽是門電路的另一種類型。由於此處使用到了金屬原料(因此稱作金屬氧化物半導體),多晶矽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模刻蝕。再經過一部刻蝕,所需的全部門電路就已經基本成型了。然後,要對暴露在外的矽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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                                                                                                                                                                                           重複這一過程

            從這一步起,將持續添加層級,加入一個二氧化矽層,然後光刻一次。重複這些步驟,然後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塗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。而後,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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            而後,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,這樣才能使芯片最終安放在PCB板上。在芯片的包裝過程完成之後,許多產品還要再進行一次測試來確保先前的製作過程無一疏漏,且產品完全遵照規格所述,沒有偏差。







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