都说半导体制造工艺复杂，但具体的芯片生产流程是怎样的？

数码科技半导体，风土人文和地理。大家好我是涉猎领域较为宽泛的一大木~

集成电路制造本人最近刚参加一次完整的流片过程，具体可以做出以下回答。

一、工艺原理：氧化、扩散、光刻、金属化等集成电路的制造是一个非常复杂的过程，涉及到很多的步骤、工艺等。从硅原材料到芯片成品的过程大致符合以下流程。

而本次介绍主要侧重于制造的过程，故略去封装和测试等环节的介绍。

晶圆的制作

首先要从沙子里提纯得到多晶硅，然后经过拉单晶切片磨片抛光外延等步骤，这些步骤的话我具体没有参与过，我从我所参与的流程开始具体详细介绍。

氧化

第一个程序是氧化，我所控制氧化晶圆的设备，下图所示的样子。

这里展开篇幅叙述一下氧化工艺的原理：

氧化的目的是为了在硅片上长一层二氧化硅层以保护硅片表面、器件隔离、屏蔽掺杂、形成电介质层等。具体种类包括干氧氧化、湿氧氧化、水汽氧化、掺氯氧化和高压氧化等。本次实习所采用的为湿氧工艺，从机器上也可观察到。所以重点介绍湿氧工艺。

湿氧工艺是指氧气中带着一定量的水汽，水汽要加热到95摄氏度。涉及到的化学方程为：

湿氧氧化的氧化速率介于干氧氧化和水汽氧化之间，氧化层质量也介于二者之间。

湿氧氧化工艺要有水汽产生装置，一般都是氢氧合成湿氧氧化工艺，要特别注意氢气和氧气的流量比，下图是我当时拍到的氢气氧气混合装置：

两根管道内应该分别分氧气和氢气。具体操作的时候还需要把晶片推到炉子里，操作过程如下图所示：

氧化工艺就先介绍到这里。

扩散

接着介绍以下扩散，扩散是为了改变半导体的电特性，形成半导体器件结构。将所需的杂质，比如三族或五族元素，以一定的方式掺入到半导体基片规定的区域内，并达到规定的数量和符合要求的分布。扩散法和离子注入法均能达到目的。以下是两种扩散炉。

关于扩散，就是将掺杂气体导入放有硅片的高温炉中，从而达到将杂质扩散到硅片内的目的。按照掺杂源的形态分为固体源扩散、液态源扩散、气态源扩散。按照扩散的形式又可以分为气相固相液相扩散。按照杂质的分布又可以分为恒定表面源扩散分布和有限表面源扩散分布。按照扩散的机理可分为间隙式扩散和替位式扩散。说完扩散顺便叙述一下离子注入，离子注入相对于扩散来说有很多优势，注入温度低，精确且可独立控制浓度分布和结深，掺杂的均匀性和重复性好，注入离子纯度高，能量单一，横向扩散小，不受固溶度的限制。下图为离子注入原理图：

当然随之而来的也会有些缺点，损伤较多，工艺多了退火的步骤，成本也高。它的原理是先给注入离子一定的能量，然后轰击靶材料进入掺杂区域。然而注入离子的分布是比较复杂的，不服从严格的高斯分布。注入离子分布图如下图所示：

光刻

然后介绍光刻工艺。可以说光刻是整个流程的重要环节。通过光化学反应，将光刻版上的图形转移到光刻胶上。光刻三要素即光刻机、光刻版和光刻胶是光刻步骤必不可少。光刻机：Lithography Tool，目前来说ASML的光刻机是前沿。荷兰的这家公司并不具备将其售给中国的权利，很可笑，这都是瓦森纳协定的限制，限制中国的发展。其实当年日本的佳能和尼康的光刻机技术是世界领先水平，当时ASML只是个弟弟，后来佳能和尼康受到的美利坚的多方干扰，美国意在通过打压别国的光刻机技术想要使自己的光刻机技术成为领先水平，不料ASML和台积电合伙研制出了浸润式光刻，直接翻身农奴把歌唱。美国这下也好了，虽然把日本的光刻机技术给打压了，没想到ASML又起来了，而自己过得技术也还是个弟弟水平。美国也担心中国的发展，后来拉拢全世界发达国家整了一个瓦森纳协定，内容大概是禁止出售高尖端设备给中国，真的是小肚鸡肠美利坚。光刻机的能提供光刻工艺所需的曝光光源，将光刻版的图形转移到光刻胶上。技术难度最高、成本最大、决定特征尺寸。有接触式、接近式、投影式、步进式光刻机。

说完了光刻机还有光刻版，光刻版即掩膜版、光罩，很好理解。最后还有光刻胶，光刻胶是光敏性材料，分为正胶和负胶。在实验室我体验了涂胶并将其甩匀的过程，如下所示：

首先把晶圆放在圆柱形底盘上，然后挤上适量的光刻胶，启动转盘，然后光刻胶就会被均匀的涂抹。之后我记得是把晶圆放在一个机器上，先对准，对准完了之后启动那台机器进行光刻，结束之后要冲洗显影等步骤。

金属化

金属化指的是金属及金属性材料在IC中的应用。按照功能划分，金属化可以分为栅材料，互联线材料，接触材料以及填充材料。现代集成电路对金属化的要求与很多，电阻率要低，能传导高电流密度，粘附性好，能够粘附下层衬底实现很好的电连接，半导体与金属连接时接触电阻低。易于淀积，容易成膜，易于图形化，对下层衬底有高选择比，易于平坦化，可靠性高，延展性好，抗点迁徙能力强，抗腐蚀性好，应力低，以减小硅片的翘曲，避免金属线断裂、空洞。

金属化材料分为金属材料和金属性材料。常用的金属材料有Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等，常用的金属性材料包括掺杂的多晶硅，金属硅化物和金属合金。

若干工艺流程之后，得到的晶圆如下所示，下边的分别是我用手机拍摄的，可以看到不是很清楚。最终的晶圆图：

用电子显微镜观察一下，是这样的:

显微镜下则看的更为清楚，每个器件都能看到清晰的轮廓，至此，本次流程差不多也结束了。

上述只介绍了第一次光刻流程，在实际的制造中会有非常多的光刻次数，每进行光刻一次，就需要一个循环。而且上述的制程量级和当今顶尖的7nm，5nm不是一个层次的。

大家如果有什么疑问或者不同的见解，欢迎在底下评论留言告诉我。