在上篇文章中，我們已經詳細介紹了硅片的提純加工過程（產業觀察丨芯片的誕生，晶圓是如何從“沙子”煉成的？）。現(xian)在，我們將進一步說明如何將集成電路(lu)芯片的設計電路(lu)一步步制造(zao)在硅片上，從而形成集成電路(lu)晶圓（IC Wafer）。

為了更具(ju)體(ti)地闡述(shu)，我(wo)們將以常見的手機處理器等數字(zi)邏輯芯片（Logic IC）的晶圓制造過(guo)程為例進行說明。

從(cong)單晶(jing)硅片到IC晶(jing)圓再到芯片的(de)形態轉變

Part.01

氧化(hua)工(gong)藝（Oxidation)

經過精細拋光與清洗的單晶硅片，正式邁入晶圓加工的核心環節，首要步驟是執行氧化工藝（Oxidation Process），其目標是在晶圓表面構建一層二氧化硅薄膜（SiO2）。這層薄膜發揮著多重保護作用，包括抵御化學雜質對晶圓表面的侵害、預防晶體管間的漏電現象，以及在后續離子注入和刻蝕等工藝中保護晶圓硅層免受損傷。通過構建這一堅實的防護層，氧化工藝為后續制造流程奠定了穩固的基礎，并提供了必要的保障。

氧(yang)(yang)化(hua)(hua)工(gong)藝(yi)主要(yao)使用熱氧(yang)(yang)化(hua)(hua)法(fa)，通過高(gao)溫和(he)(he)純氧(yang)(yang)或水蒸汽與硅反應，生(sheng)(sheng)成(cheng)SiO2層。熱氧(yang)(yang)化(hua)(hua)法(fa)分(fen)為(wei)干法(fa)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)和(he)(he)濕法(fa)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)，前者形(xing)(xing)成(cheng)的(de)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)層薄但質(zhi)量(liang)好，生(sheng)(sheng)長(chang)速度(du)慢；后者形(xing)(xing)成(cheng)的(de)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)層厚但密度(du)低(di)，生(sheng)(sheng)長(chang)速度(du)快。隨著(zhu)集成(cheng)電路特征尺寸縮小，對氧(yang)(yang)化(hua)(hua)層均勻性(xing)和(he)(he)精確控制要(yao)求提高(gao)，除了傳統(tong)熱氧(yang)(yang)化(hua)(hua)工(gong)藝(yi)，還(huan)使用等離(li)子體增(zeng)強化(hua)(hua)學氣相沉積和(he)(he)原子層沉積等先進(jin)技(ji)術，在(zai)較(jiao)低(di)溫度(du)下形(xing)(xing)成(cheng)高(gao)質(zhi)量(liang)薄膜，并(bing)控制其厚度(du)和(he)(he)組成(cheng)。氧(yang)(yang)化(hua)(hua)工(gong)藝(yi)在(zai)晶(jing)圓制造中(zhong)至關重要(yao)，目的(de)在(zai)于確保晶(jing)圓表(biao)面穩定性(xing)和(he)(he)可(ke)靠性(xing)，為(wei)后續制造步驟奠(dian)定基(ji)礎。

在氧(yang)化工藝中(zhong)，一個(ge)至(zhi)關重要的設(she)備便是快速氧(yang)化爐。在全球范圍內，享有(you)盛(sheng)譽的制造商包括美國(guo)的應用材料公(gong)司和日(ri)本的東京電(dian)子公(gong)司。與(yu)此同時，國(guo)內也有(you)北方華(hua)創和中(zhong)電(dian)四十八所等廠商在這一領域取得(de)了顯著成(cheng)就。

RTP氧化爐

Part.02

光(guang)刻(ke)與刻(ke)蝕工藝（Photolithography and Etching）

光(guang)刻(ke)(ke)(ke)(ke)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)也是芯片晶(jing)圓制造非(fei)常關(guan)鍵的(de)(de)一步，而光(guang)刻(ke)(ke)(ke)(ke)與(yu)刻(ke)(ke)(ke)(ke)蝕(shi)(shi)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)緊密聯(lian)系在一起。光(guang)刻(ke)(ke)(ke)(ke)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)將(jiang)電(dian)路圖形刻(ke)(ke)(ke)(ke)在了晶(jing)圓的(de)(de)光(guang)刻(ke)(ke)(ke)(ke)膠上，而刻(ke)(ke)(ke)(ke)蝕(shi)(shi)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)才真正(zheng)將(jiang)光(guang)刻(ke)(ke)(ke)(ke)膠上的(de)(de)圖案(an)(an)轉(zhuan)移到了晶(jing)圓上，通過光(guang)刻(ke)(ke)(ke)(ke)與(yu)刻(ke)(ke)(ke)(ke)蝕(shi)(shi)的(de)(de)步驟，才可以將(jiang)電(dian)路圖案(an)(an)在晶(jing)圓片上真正(zheng)實現。光(guang)刻(ke)(ke)(ke)(ke)與(yu)刻(ke)(ke)(ke)(ke)蝕(shi)(shi)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)步驟一次只能實現一層集成(cheng)電(dian)路圖的(de)(de)結(jie)構，因此需(xu)要重復該(gai)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)步驟多次，并使用多張不(bu)同(tong)的(de)(de)掩膜版，才能最(zui)終完成(cheng)集成(cheng)電(dian)路圖案(an)(an)。

光(guang)刻(ke)(ke)工藝的(de)(de)(de)(de)過(guo)(guo)程與使用相(xiang)(xiang)機(ji)進(jin)行(xing)攝(she)影(ying)的(de)(de)(de)(de)過(guo)(guo)程在某些方面存在相(xiang)(xiang)似之處。在進(jin)行(xing)攝(she)影(ying)時，攝(she)影(ying)師會首先將相(xiang)(xiang)機(ji)對(dui)準目(mu)標(biao)物體(ti)，隨后調整(zheng)焦(jiao)距和光(guang)圈以(yi)確(que)保清晰的(de)(de)(de)(de)圖(tu)像。一旦這(zhe)些參數調整(zheng)到位(wei)，攝(she)影(ying)師便可以(yi)按下快門，此(ci)時，相(xiang)(xiang)機(ji)的(de)(de)(de)(de)鏡頭便扮演著(zhu)光(guang)刻(ke)(ke)機(ji)的(de)(de)(de)(de)角色，通過(guo)(guo)光(guang)線將目(mu)標(biao)物體(ti)的(de)(de)(de)(de)圖(tu)像投(tou)射至相(xiang)(xiang)機(ji)的(de)(de)(de)(de)感光(guang)元(yuan)件上。這(zhe)個感光(guang)元(yuan)件在芯片(pian)制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)過(guo)(guo)程中，相(xiang)(xiang)當于(yu)晶圓，它(ta)負(fu)責記錄下這(zhe)一圖(tu)像。最(zui)后，沖洗照(zhao)片(pian)的(de)(de)(de)(de)方式，類似于(yu)芯片(pian)制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)中的(de)(de)(de)(de)刻(ke)(ke)蝕工藝，感光(guang)元(yuan)件上記錄的(de)(de)(de)(de)圖(tu)像將被(bei)轉化為(wei)實(shi)際的(de)(de)(de)(de)物理(li)照(zhao)片(pian)。

光刻工藝示意圖

光(guang)(guang)(guang)刻工藝的(de)(de)(de)過程(cheng)是將(jiang)芯(xin)片設(she)計的(de)(de)(de)電路圖(tu)案(an)精(jing)確地“繪制”到晶圓上(shang)的(de)(de)(de)關鍵步(bu)驟。首先，在晶圓上(shang)均勻涂抹(mo)一(yi)層感(gan)光(guang)(guang)(guang)材料，即(ji)光(guang)(guang)(guang)刻膠，它(ta)對光(guang)(guang)(guang)線(xian)極為敏(min)感(gan)，類(lei)似于攝影中的(de)(de)(de)感(gan)光(guang)(guang)(guang)元件。隨(sui)后(hou)，光(guang)(guang)(guang)刻機(ji)發出特定波長(chang)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)線(xian)，通常是紫外光(guang)(guang)(guang)或極紫外光(guang)(guang)(guang)，透過精(jing)心(xin)設(she)計的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)掩膜版(ban)。光(guang)(guang)(guang)掩膜版(ban)上(shang)刻有電路圖(tu)案(an)的(de)(de)(de)某一(yi)層，整顆芯(xin)片的(de)(de)(de)電路圖(tu)案(an)可(ke)能由多層這樣的(de)(de)(de)掩膜版(ban)組合(he)而成，每層的(de)(de)(de)綜合(he)效果構成了最終的(de)(de)(de)完整電路圖(tu)案(an)。這也(ye)是光(guang)(guang)(guang)刻工藝需(xu)要多次進行(xing)的(de)(de)(de)原因。

經過(guo)特殊透鏡的(de)(de)微縮作用，光(guang)(guang)掩(yan)膜(mo)版上的(de)(de)電路圖案被(bei)(bei)精確投射到(dao)(dao)晶圓表面(mian)的(de)(de)感光(guang)(guang)材(cai)(cai)料(liao)上。在(zai)這一過(guo)程中，感光(guang)(guang)材(cai)(cai)料(liao)會發生化學反應，進而(er)改變其性質。隨后(hou)，通過(guo)化學溶液清(qing)洗處(chu)理(li)，未被(bei)(bei)光(guang)(guang)線(xian)照射到(dao)(dao)的(de)(de)感光(guang)(guang)材(cai)(cai)料(liao)部(bu)分被(bei)(bei)去除，而(er)被(bei)(bei)投射到(dao)(dao)的(de)(de)部(bu)分則得(de)以保(bao)留，從而(er)實現了電路圖案從光(guang)(guang)掩(yan)膜(mo)版到(dao)(dao)晶圓表面(mian)感光(guang)(guang)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)精確轉移。

完成(cheng)這(zhe)一步驟(zou)后，后續的刻蝕工藝將(jiang)圖(tu)案(an)進一步轉(zhuan)移到晶圓上，最(zui)終將(jiang)電路圖(tu)案(an)轉(zhuan)化為晶圓上的實際(ji)物理結(jie)構(gou)。這(zhe)一過程要求極高的精(jing)度和(he)穩定性，以確保最(zui)終產(chan)品的性能和(he)質量。

光(guang)(guang)刻工藝環節所利用的光(guang)(guang)罩(zhao)(zhao)（Mask）宛如一個高(gao)精(jing)(jing)度的“印章”，旨(zhi)在將預設的電(dian)路(lu)圖案(an)精(jing)(jing)確地轉移到晶(jing)圓(yuan)之上(shang)(shang)。光(guang)(guang)罩(zhao)(zhao)通常(chang)由石英玻璃、鉻金(jin)屬（Cr）及其氧化物（CrO2）等材料精(jing)(jing)心制(zhi)作而成(cheng)，包含透(tou)明(ming)與不(bu)(bu)透(tou)明(ming)兩部分(fen)區域，其中圖案(an)布局與最終需(xu)刻印于(yu)晶(jing)圓(yuan)上(shang)(shang)的電(dian)路(lu)圖案(an)嚴格對應。當特(te)定光(guang)(guang)線(xian)(xian)透(tou)過(guo)光(guang)(guang)罩(zhao)(zhao)照射到涂(tu)布有光(guang)(guang)刻膠(jiao)的晶(jing)圓(yuan)表面時(shi)，光(guang)(guang)罩(zhao)(zhao)的不(bu)(bu)透(tou)明(ming)部分(fen)將阻擋光(guang)(guang)線(xian)(xian)，而透(tou)明(ming)部分(fen)則允許光(guang)(guang)線(xian)(xian)通過(guo)，從而在晶(jing)圓(yuan)上(shang)(shang)精(jing)(jing)準地投(tou)影出光(guang)(guang)罩(zhao)(zhao)上(shang)(shang)的圖案(an)輪廓。

掩膜版

由于掩(yan)膜版(ban)對IC晶(jing)圓制(zhi)(zhi)造(zao)至關(guan)重要(yao)，隨著芯片(pian)制(zhi)(zhi)程工藝的(de)進步和(he)晶(jing)體管規模的(de)擴大，掩(yan)膜版(ban)層數(shu)也在增加。一顆芯片(pian)的(de)光刻(ke)過程可能需要(yao)數(shu)十張(zhang)不同的(de)掩(yan)膜版(ban)，成本不斷上(shang)升。因(yin)此，為了更好地控(kong)制(zhi)(zhi)和(he)服務于客戶芯片(pian)制(zhi)(zhi)造(zao)并獲取掩(yan)膜版(ban)的(de)高(gao)利潤，Fab廠商通常建立自己的(de)掩(yan)膜版(ban)生產線(xian)。

有了掩膜版(ban)，就可(ke)以借助光刻(ke)機(ji)(ji)(ji)(ji)進行光刻(ke)工藝(yi)的(de)生產(chan)制造過程。荷蘭(lan)的(de)ASML是最領先、最知名(ming)的(de)光刻(ke)機(ji)(ji)(ji)(ji)制造商，幾(ji)乎壟(long)斷了極紫外光刻(ke)機(ji)(ji)(ji)(ji)市場。由(you)于(yu)光刻(ke)機(ji)(ji)(ji)(ji)技術復(fu)雜，每年(nian)的(de)產(chan)量只有數(shu)十臺，因此這些高端光刻(ke)機(ji)(ji)(ji)(ji)主要被全球前三大晶圓制造商——臺灣的(de)TSMC、美國的(de)Intel和韓國的(de)Samsung所購買(mai)。

Part.03

摻(chan)雜工藝（Doping）

摻雜工藝(yi)是形成(cheng)(cheng)(cheng)集成(cheng)(cheng)(cheng)電(dian)路中晶體(ti)管的(de)關(guan)鍵步驟，只有經過此工藝(yi)，電(dian)路的(de)電(dian)學(xue)特性(xing)才能形成(cheng)(cheng)(cheng)，進而成(cheng)(cheng)(cheng)為(wei)真正的(de)半導(dao)體(ti)電(dian)路。

摻雜(za)工藝主(zhu)要利用(yong)薄膜沉積(ji)和(he)離子注入等方法，引入特(te)定雜(za)質(zhi)原子來改變硅材(cai)料的電學(xue)性(xing)質(zhi)。例如，通過(guo)引入磷元素(su)可(ke)制成(cheng)N型(xing)半(ban)導體，而引入硼元素(su)則形(xing)成(cheng)P型(xing)半(ban)導體。這(zhe)些半(ban)導體材(cai)料可(ke)組合(he)成(cheng)PN結和(he)MOS管等關鍵(jian)電路單(dan)元，為(wei)現代電子器(qi)件(jian)提供基礎。

摻雜工藝原理圖

摻雜工(gong)藝中(zhong)(zhong)主要會使用比如擴散爐、離子注入機(ji)等設備，主要來自AMAT、ASML、TEL等廠商(shang)，國內也有中(zhong)(zhong)電科四十八所等廠商(shang)在(zai)積極推(tui)進。

Part.04

金屬布線(xian)工(gong)藝（Metal Wiring）

經過前(qian)面(mian)的(de)(de)工(gong)藝步驟(zou)，已(yi)經形成了(le)基本(ben)的(de)(de)電(dian)路結構單元(yuan)。但是，這(zhe)些單元(yuan)如果(guo)不進行連接，就(jiu)無法形成完整的(de)(de)電(dian)路，也無法實現數據的(de)(de)順利傳(chuan)輸。為了(le)實現電(dian)路的(de)(de)連接，需(xu)要采用金屬(shu)布線工(gong)藝。

金(jin)屬布線(xian)材料主(zhu)要(yao)有鋁、銅、鎢等(deng)，目前多采用銅因導(dao)電(dian)和(he)穩定性(xing)好，鎢則用于深布線(xian)因其填充能力強。實現金(jin)屬布線(xian)的(de)方法包括物(wu)理氣相沉(chen)(chen)積、化(hua)學氣相沉(chen)(chen)積和(he)機(ji)械化(hua)學平坦等(deng)工藝。此(ci)工藝涉及(ji)薄膜(mo)沉(chen)(chen)積和(he)機(ji)械化(hua)學研磨等(deng)設備，全球領(ling)先企業(ye)包括美國AMAT、Lam Research，荷蘭ASM、日本TEL，以及(ji)國內北方華創、拓(tuo)荊(jing)科技、中微公司等(deng)。

金屬布線示意圖

至此(ci)，集(ji)成電路晶(jing)圓(yuan)（IC Wafer）的(de)(de)(de)制(zhi)造流(liu)程宣告終結。在每(mei)一(yi)道制(zhi)造工(gong)序之(zhi)后，晶(jing)圓(yuan)都必(bi)須歷(li)經(jing)縝密的(de)(de)(de)品(pin)質檢測(ce)，以確保(bao)各項工(gong)藝(yi)(yi)目標順利達(da)成。最(zui)終，成品(pin)晶(jing)圓(yuan)還需通過(guo)WAT測(ce)試。WAT測(ce)試在晶(jing)圓(yuan)工(gong)藝(yi)(yi)制(zhi)造完成后進行(xing)，通過(guo)檢測(ce)晶(jing)圓(yuan)上特(te)定位置結構單元電路的(de)(de)(de)電性參數(shu)，全面評估(gu)每(mei)一(yi)片晶(jing)圓(yuan)產品(pin)的(de)(de)(de)工(gong)藝(yi)(yi)制(zhi)造情況，進而判斷(duan)其是否滿足工(gong)藝(yi)(yi)制(zhi)造的(de)(de)(de)規格要求(qiu)。因此(ci)，WAT數(shu)據(ju)被視(shi)為(wei)晶(jing)圓(yuan)產品(pin)出貨交付(fu)的(de)(de)(de)質量憑證。

完整IC晶圓示意圖

集(ji)成電路(lu)晶圓制(zhi)造（Wafer Fab）作為科(ke)(ke)技領域(yu)(yu)(yu)(yu)中(zhong)(zhong)的(de)一項杰出(chu)工業制(zhi)程，集(ji)中(zhong)(zhong)展(zhan)(zhan)現(xian)了科(ke)(ke)技研發(fa)領域(yu)(yu)(yu)(yu)最尖端的(de)設備、高精(jing)度材料與工藝(yi)。其(qi)所產出(chu)的(de)芯片晶圓，已成為推動(dong)科(ke)(ke)技發(fa)展(zhan)(zhan)的(de)核心基石(shi)。無(wu)論是(shi)在(zai)(zai)通訊、計算機、人工智能等(deng)前(qian)沿領域(yu)(yu)(yu)(yu)，還是(shi)在(zai)(zai)消費電子、工業控制(zhi)等(deng)廣泛(fan)應用領域(yu)(yu)(yu)(yu)，晶圓制(zhi)造技術(shu)都扮演著至關重要的(de)角色。我們(men)堅信，隨著技術(shu)的(de)不斷突破與創新，晶圓制(zhi)造技術(shu)將繼續取得更大的(de)發(fa)展(zhan)(zhan)，持續為人類社會文明進步賦(fu)能。