在上篇文章中，我們已經(jīng)詳細介紹了硅片的提純加工過程(產(chǎn)業(yè)觀察丨芯片的誕生，晶圓是如何從“沙子”煉成的?)。現(xiàn)在，我們將進一步說明如何將集成電路芯片的設(shè)計電路一步步制造在硅片上，從而形成集成電路晶圓(IC Wafer)。

為了更具體地闡述，我們將以常見的手機處理器等數(shù)字邏輯芯片(Logic IC)的晶圓制造過程為例進行說明。

Part.01  氧化工藝(Oxidation)

經(jīng)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(huán)節(jié)，首要步驟是執(zhí)行氧化工藝(Oxidation Process)，其目標是在晶圓表面構(gòu)建一層二氧化硅薄膜(SiO2)。這層薄膜發(fā)揮著多重保護作用，包括抵御化學(xué)雜質(zhì)對晶圓表面的侵害、預(yù)防晶體管間的漏電現(xiàn)象，以及在后續(xù)離子注入和刻蝕等工藝中保護晶圓硅層免受損傷。通過構(gòu)建這一堅實的防護層，氧化工藝為后續(xù)制造流程奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)，并提供了必要的保障。

氧化工藝主要使用熱氧化法，通過高溫和純氧或水蒸汽與硅反應(yīng)，生成SiO2層。熱氧化法分為干法氧化和濕法氧化，前者形成的氧化層薄但質(zhì)量好，生長速度慢;后者形成的氧化層厚但密度低，生長速度快。隨著集成電路特征尺寸縮小，對氧化層均勻性和精確控制要求提高，除了傳統(tǒng)熱氧化工藝，還使用等離子體增強化學(xué)氣相沉積和原子層沉積等先進技術(shù)，在較低溫度下形成高質(zhì)量薄膜，并控制其厚度和組成。氧化工藝在晶圓制造中至關(guān)重要，目的在于確保晶圓表面穩(wěn)定性和可靠性，為后續(xù)制造步驟奠定基礎(chǔ)。

在氧化工藝中，一個至關(guān)重要的設(shè)備便是快速氧化爐。在全球范圍內(nèi)，享有盛譽的制造商包括美國的應(yīng)用材料公司和日本的東京電子公司。與此同時，國內(nèi)也有北方華創(chuàng)和中電四十八所等廠商在這一領(lǐng)域取得了顯著成就。

Part.02  光刻與刻蝕工藝(Photolithography and Etching)

光刻工藝也是芯片晶圓制造非常關(guān)鍵的一步，而光刻與刻蝕工藝緊密聯(lián)系在一起。光刻工藝將電路圖形刻在了晶圓的光刻膠上，而刻蝕工藝才真正將光刻膠上的圖案轉(zhuǎn)移到了晶圓上，通過光刻與刻蝕的步驟，才可以將電路圖案在晶圓片上真正實現(xiàn)。光刻與刻蝕工藝步驟一次只能實現(xiàn)一層集成電路圖的結(jié)構(gòu)，因此需要重復(fù)該工藝步驟多次，并使用多張不同的掩膜版，才能最終完成集成電路圖案。

光刻工藝的過程與使用相機進行攝影的過程在某些方面存在相似之處。在進行攝影時，攝影師會首先將相機對準目標物體，隨后調(diào)整焦距和光圈以確保清晰的圖像。一旦這些參數(shù)調(diào)整到位，攝影師便可以按下快門，此時，相機的鏡頭便扮演著光刻機的角色，通過光線將目標物體的圖像投射至相機的感光元件上。這個感光元件在芯片制造過程中，相當(dāng)于晶圓，它負責(zé)記錄下這一圖像。最后，沖洗照片的方式，類似于芯片制造中的刻蝕工藝，感光元件上記錄的圖像將被轉(zhuǎn)化為實際的物理照片。

光刻工藝的過程是將芯片設(shè)計的電路圖案精確地“繪制”到晶圓上的關(guān)鍵步驟。首先，在晶圓上均勻涂抹一層感光材料，即光刻膠，它對光線極為敏感，類似于攝影中的感光元件。隨后，光刻機發(fā)出特定波長的光線，通常是紫外光或極紫外光，透過精心設(shè)計的光掩膜版。光掩膜版上刻有電路圖案的某一層，整顆芯片的電路圖案可能由多層這樣的掩膜版組合而成，每層的綜合效果構(gòu)成了最終的完整電路圖案。這也是光刻工藝需要多次進行的原因。

經(jīng)過特殊透鏡的微縮作用，光掩膜版上的電路圖案被精確投射到晶圓表面的感光材料上。在這一過程中，感光材料會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進而改變其性質(zhì)。隨后，通過化學(xué)溶液清洗處理，未被光線照射到的感光材料部分被去除，而被投射到的部分則得以保留，從而實現(xiàn)了電路圖案從光掩膜版到晶圓表面感光材料的精確轉(zhuǎn)移。

完成這一步驟后，后續(xù)的刻蝕工藝將圖案進一步轉(zhuǎn)移到晶圓上，最終將電路圖案轉(zhuǎn)化為晶圓上的實際物理結(jié)構(gòu)。這一過程要求極高的精度和穩(wěn)定性，以確保最終產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。

光刻工藝環(huán)節(jié)所利用的光罩(Mask)宛如一個高精度的“印章”，旨在將預(yù)設(shè)的電路圖案精確地轉(zhuǎn)移到晶圓之上。光罩通常由石英玻璃、鉻金屬(Cr)及其氧化物(CrO2)等材料精心制作而成，包含透明與不透明兩部分區(qū)域，其中圖案布局與最終需刻印于晶圓上的電路圖案嚴格對應(yīng)。當(dāng)特定光線透過光罩照射到涂布有光刻膠的晶圓表面時，光罩的不透明部分將阻擋光線，而透明部分則允許光線通過，從而在晶圓上精準地投影出光罩上的圖案輪廓。

由于掩膜版對IC晶圓制造至關(guān)重要，隨著芯片制程工藝的進步和晶體管規(guī)模的擴大，掩膜版層數(shù)也在增加。一顆芯片的光刻過程可能需要數(shù)十張不同的掩膜版，成本不斷上升。因此，為了更好地控制和服務(wù)于客戶芯片制造并獲取掩膜版的高利潤，F(xiàn)ab廠商通常建立自己的掩膜版生產(chǎn)線。

有了掩膜版，就可以借助光刻機進行光刻工藝的生產(chǎn)制造過程。荷蘭的ASML是最領(lǐng)先、最知名的光刻機制造商，幾乎壟斷了極紫外光刻機市場。由于光刻機技術(shù)復(fù)雜，每年的產(chǎn)量只有數(shù)十臺，因此這些高端光刻機主要被全球前三大晶圓制造商——臺灣的TSMC、美國的Intel和韓國的Samsung所購買。

Part.03  摻雜工藝(Doping)

摻雜工藝是形成集成電路中晶體管的關(guān)鍵步驟，只有經(jīng)過此工藝，電路的電學(xué)特性才能形成，進而成為真正的半導(dǎo)體電路。

摻雜工藝主要利用薄膜沉積和離子注入等方法，引入特定雜質(zhì)原子來改變硅材料的電學(xué)性質(zhì)。例如，通過引入磷元素可制成N型半導(dǎo)體，而引入硼元素則形成P型半導(dǎo)體。這些半導(dǎo)體材料可組合成PN結(jié)和MOS管等關(guān)鍵電路單元，為現(xiàn)代電子器件提供基礎(chǔ)。

摻雜工藝中主要會使用比如擴散爐、離子注入機等設(shè)備，主要來自AMAT、ASML、TEL等廠商，國內(nèi)也有中電科四十八所等廠商在積極推進。

Part.04  金屬布線工藝(Metal Wiring)

經(jīng)過前面的工藝步驟，已經(jīng)形成了基本的電路結(jié)構(gòu)單元。但是，這些單元如果不進行連接，就無法形成完整的電路，也無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的順利傳輸。為了實現(xiàn)電路的連接，需要采用金屬布線工藝。

金屬布線材料主要有鋁、銅、鎢等，目前多采用銅因?qū)щ姾头€(wěn)定性好，鎢則用于深布線因其填充能力強。實現(xiàn)金屬布線的方法包括物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積和機械化學(xué)平坦等工藝。此工藝涉及薄膜沉積和機械化學(xué)研磨等設(shè)備，全球領(lǐng)先企業(yè)包括美國AMAT、Lam Research，荷蘭ASM、日本TEL，以及國內(nèi)北方華創(chuàng)、拓荊科技、中微公司等。

至此，集成電路晶圓(IC Wafer)的制造流程宣告終結(jié)。在每一道制造工序之后，晶圓都必須歷經(jīng)縝密的品質(zhì)檢測，以確保各項工藝目標順利達成。最終，成品晶圓還需通過WAT測試。WAT測試在晶圓工藝制造完成后進行，通過檢測晶圓上特定位置結(jié)構(gòu)單元電路的電性參數(shù)，全面評估每一片晶圓產(chǎn)品的工藝制造情況，進而判斷其是否滿足工藝制造的規(guī)格要求。因此，WAT數(shù)據(jù)被視為晶圓產(chǎn)品出貨交付的質(zhì)量憑證。

集成電路晶圓制造(Wafer Fab)作為科技領(lǐng)域中的一項杰出工業(yè)制程，集中展現(xiàn)了科技研發(fā)領(lǐng)域最尖端的設(shè)備、高精度材料與工藝。其所產(chǎn)出的芯片晶圓，已成為推動科技發(fā)展的核心基石。無論是在通訊、計算機、人工智能等前沿領(lǐng)域，還是在消費電子、工業(yè)控制等廣泛應(yīng)用領(lǐng)域，晶圓制造技術(shù)都扮演著至關(guān)重要的角色。我們堅信，隨著技術(shù)的不斷突破與創(chuàng)新，晶圓制造技術(shù)將繼續(xù)取得更大的發(fā)展，持續(xù)為人類社會文明進步賦能。