半導體產業中，制造工工程被稱為工藝（Process），理由是什么？雖然沒有明確的答案，但與其說加工尺寸微小（目前是nm制程），不如說制造過程無法用肉眼看到所致。

前道工序

半導體工藝包含前道工序和后道工序。

前道工序主要是對硅晶圓進行加工，這種加工不是將零件添加到皮帶輸送機上，流動清洗、離子注入和熱處理、光刻、刻蝕、成膜、平坦化（CMP）這6個工藝會反復多次進行，也叫“循環工藝”。

LSI芯片并不是一個個在硅片上制造，而是類似印鈔，在一張大紙（硅片）上印刷很多張，然后剪裁出來。前道工序一大特點就是生產線的清潔度要求非常嚴格，通常需要至少1級①以上的清潔度。

①1級：Class是潔凈度的標準。用1立方英尺（約30平方厘米）的空氣中存在多少顆粒表示。Class 1指存在1個個顆粒。

提問

1.前道工序fab的全貌是怎樣的？

2.什么叫做Bay方式？

清洗和干燥濕法工藝

在前道工序中，晶圓在半導體工藝各種設備傳送期間，必須進行清洗。晶圓在每次的工藝處理過程中都會受到污染，例如空氣和部品材質的微細顆粒和雜質、設施、設備和電源線的電磁輻射、晶圓加工測量時光束造成的損壞、工藝和晶圓傳送時的靜電等。從清洗設備出來后，必須保持干燥狀態，稱為“干進干出”（Dry-In-Dry-Out），因為晶圓如果處于含水的狀態，晶圓表面就會迅速氧化，肉眼看不見的水滴會形成水漬影響后續工藝。

晶圓上的顆粒和污染可以通過化學或物理兩種方法去除。物理方法包括用刷子機械去除污染或用超聲波震動去除污染；化學方法通過化學反應直接溶解污染和顆粒，或者把附著了顆粒或污染的晶圓表面溶解一層“薄皮”。

而干燥方面，傳統上使用的方法是旋轉干燥（Spin Dry）和IPA（異丙醇）干燥。前者將晶圓放入一個特殊的盒子中，并高速旋轉以甩掉水分，該方法設備結構簡單，價格低，吞吐量②高，但需要靈活性高、能產生靜電的零部件。后者是用揮發性IPA蒸汽替換晶圓表面的水分，使之干燥，好處是有利于圖形的干燥，但需要使用易燃化學品，且容易留下有機物、殘留物。除此之外，還有一種干燥方法叫“馬蘭戈尼干燥”，即將晶圓從順水中立即送入IPA蒸汽中干燥，如此可以減少IPA的用量，但吞吐量較小，有機物有殘留。

②吞吐量（Throughput）：單位時間內可以處理的晶圓數量。

提問

1.清洗晶圓的方法有哪些？

2.什么叫濕法工藝和干法清洗？

離子注入和熱處理工藝

硅半導體不能只在本征區或同類型的雜質區中形成晶體管并工作，因為硅是單晶，所以硅原子是有規律排列的。如果只有硅，電流很難流動，基本上是絕緣體，為此，必須在硅襯底中形成n型區域和p型區域，離子注入技術扮演了這個角色。

離子注入就是將雜質的原子進行離子化，再提供足夠的加速能量將其注入硅晶體中。也就是在硅中注入雜質，使電流更容易流動，打入的雜質原子與硅晶體的晶格相替換，從參雜的雜質原子和硅原子交換成為n型雜質，或者成為p型雜質。

這些雜質原子與硅形成共價鍵，比硅多一個電子的雜質為n型,如P（磷）、As（砷）等，少一個電子的雜質為p型，如B（硼）。

離子注入的區域和硅的厚度相比是非常薄的，自身也只有1-2微米，晶格恢復處理也是在這個區域進行的。實際的離子注入是通過光刻掩膜進行的，其形成和去除要使用光刻工藝和灰化工藝。

由于離子注入僅注入單晶硅中，因此需要進行熱處理，以便進行晶格恢復。所以離子注入和晶格恢復的熱處理是兩個一組的工藝，類似我們剛剛提到的清洗和干燥工藝一樣。

注入離子后的硅晶圓晶格會受到注入離子的損傷，硅晶格離子的沖擊而變得混亂，也可能會出現注入的離子并未替換原有的硅，所以硅原子和雜質原子需要在熱的作用下，在單晶硅內移動，并落在硅的晶格點上。上述過程需要使硅晶圓溫度上升，被稱為“熱處理”。

提問

1.離子注入機和離子束掃描是什么樣子的？有哪些離子注入工具？

2.熱處理工藝用什么設備？

光刻工藝

光刻工藝本身不能再LSI留下任何形狀，如果從繪畫的角度來說，光刻就像素描或者草稿。光刻的構成要素包括曝光裝置、感光材料的光刻膠、有版圖的掩模版、涂膠、顯影等工藝。

我們可以把光刻理解為是照相，光刻膠是相紙，掩膜是被照的物體，例如一片葉子，光源就是日光。具體流程大概是，首先在準備刻蝕的薄膜上面涂上光刻膠，但晶圓表面親水性高，有時光刻膠無法很好的涂抹，需要用到一種名為HMDS（六甲基二硅氮烷）的有機溶劑使晶圓表面具有疏水性。涂上光刻膠后，需要在70℃-90℃溫度下進行前烘處理（Pre-Bake，也稱“軟烘”）來去除溶劑。

接下來曝光裝置需要通過掩模版來繪制圖形，其實光刻就是將掩模版上的圖像精確地轉移（照）到光刻膠（相紙）上。掩模版是在透光的石英基板上用鉻（Cr）作為遮光材料，形成一定的圖形。

接下來進行“顯影”步驟，這個時候又要提到光刻膠。光刻膠就像老式相紙的正片、底片一樣，它也分“負性光刻膠”和“正性光刻膠”。負性光刻膠在光照射到的地方會留下圖形，而正性光刻膠在光照射不到的地方會留下圖形。由此可推理，如果是負性光刻膠，顯影就是去除沒有被光照到的地方；如果是正性光刻膠，顯影就是去除被光照射到的地方。

接下來，為了去除顯影液等多余液體，增強剩余光刻膠與刻蝕薄膜的附著性，需要在100℃的溫度下進行后烘（Post-Bake，也稱硬烘）。

提問

1.光刻工藝中怎樣將圖像“沖印”到光刻膠上？曝光技術這些年來發生了哪些改變？

2.DUV和EUV的區別是什么？

3.在接近曝光分辨率的極限下，怎樣進一步提高光刻的精細度？

刻蝕工藝

刻蝕是利用光刻工藝所在刻蝕薄膜（刻蝕對象）上形成光刻圖形，此時光刻膠作為刻蝕的掩蔽層，所以有時候也稱其為光刻膠掩蔽膜。接下來，放入刻蝕設備（本小節主要講干法刻蝕設備），用光刻膠作為掩膜進行刻蝕。

刻蝕氣體在等離子體③中分解電離，形成離子和自由基等刻蝕類物質，稱為“Enchant④”。Enchant達到晶圓表面開始刻蝕，想要刻蝕出深度形狀，低壓情況下更有利，但也不是越低越好，太低的壓力放電會不順利，等離子體難以產生。

到達晶圓表面的Enchant與被刻蝕物發生反應，進行刻蝕反應。刻蝕反應的副產物必須迅速脫離并排氣，否則副產物會附著在表面，刻蝕反應無法進行。

刻蝕完成后，需要采用“灰化⑤”來去除刻蝕對象上面的光刻膠。

③等離子體：等離子體是氣體、液體、固體之外的第四種物質狀態，大致來說就是電離氣體，可以認為其整體電荷為中性。在真空中導入想要的氣體，經過放電和增壓，產生的電子與氣體分子碰撞，生產離子和中性活性的自由基，不斷重復這個過程就會產生等離子體。

④Enchant：等離子體中產生的一堆進行刻蝕的物質，包括電子、離子和自由基。

⑤灰化（Ashing）：把有機物的光刻膠用氧氣燃燒成“灰”。

提問

1.刻蝕設備的運作機理是怎樣的？

2.目前干法刻蝕面臨著怎樣的挑戰？

3.刻蝕出現的溶解偏差怎樣減小？

成膜工藝

LSI工藝本質上是在一個硅晶圓上制造雜質區域、布線和絕緣膜的工藝過程。LSI基本上由半導體層（包括硅晶圓）、用于供電的金屬布線層以及用于電器隔離的絕緣層（也稱介質層）組成。

其中，半導體層是晶體管中最重要的區域，晶體管是半導體器件的基礎。金屬布線將這些器件連接起來，絕緣層把導線和元件電氣隔離開來。其中就涉及到各種“膜”，比如電阻膜、絕緣膜、Cu阻隔金屬膜、Al阻隔金屬膜、STI埋層等。

提問

1.成膜設備的運作方式是怎樣的？

2.成膜環節中的CVD、濺射工藝、電鍍工藝、涂布工藝、High-k柵極堆疊工藝、Cu/Low-k工藝都是怎么一回事？

平坦化（CMP）工藝

CMP在一開始并不是前道工序的必要步驟，隨著系統級LSI和先進CMOS數字電路多層布線化的發展需求，使得CMP這一讓硅片表面變平滑的技術不可或缺。

先進LSI通常會是把已經完成電路驗證的IP進行整合，完成邏輯LSI的設計，所以必須要用布線連接各種電路模塊。這樣的布線方法必定是多層次結構，需要多層布線，為了完成3層及以上的多層布線，CMP是非常有必要的。

提問

1.CMP設備是怎樣的？如何工作的？

2.CMP的平坦化機理是什么？

3.雙大馬士革的流程是什么？

后道工序

后道工序是將晶圓上做好的LSI芯片單獨切割、封裝的組裝加工技術。

即使前道工序做得非常認真，最終晶圓上的芯片還是會有不良品，需要經過晶圓測試來去除。晶圓測試使用稱為探針臺（Prober）的設備來完成，設備上裝有探針卡，探針卡上有很多導電的探針。

將通過檢測的晶圓開始進行封裝。在可以滿足機械強度和晶圓翹曲度的要求下，我們盡量讓晶圓更薄一些，因此封裝晶圓不需要保持原來的厚度，要從背面削減到規定厚度，這就是減薄（Back Grind）。

晶圓是圓的，而芯片是方的，所以需要對晶圓進行劃片（Dicing）。減薄的晶圓要粘貼到劃片膠帶上，避免劃片后的芯片到處散落，可以原封不動地帶入下一道程序。

芯片切割完成后稱為Die。貼片（Die Bonding）是在切出的芯片中挑選合格品貼在封裝底座（Die Pad）上，然后用粘合劑固定到封裝中。固定好后的LSI要進行引線鍵合（Wire Bonding），也就是用引線將芯片I/O端口和封裝引腳連接起來。曾幾何時，引線鍵合是一根一根由人工完成，所以后道工序是勞動密集型產業，但現在可以用自動引線鍵合的設備，每秒就可以鍵合5-10根引線，效率大大提升。

完成LSI芯片的貼片和引線鍵合后，接下來就要為封裝進行注塑（Molding）。如果芯片是湯圓餡，注塑就是湯圓皮。講完成了引線鍵合的芯片和引線框架一起傳到封裝用的下部模具上面，再蓋好上部模具，形象地說，是把芯片放置到上下模具形成的空腔（Cavity）中。再將模具加熱到約160℃-180℃，注入熱固性環氧樹脂，等待溫度下降，環氧樹脂固化后，注塑就完成了。

完成LSI芯片注塑后，為了把產品出貨銷售，還需要給產品印上產品名稱和批次名稱，也就是要打標（Marking），還要對LSI外引線的形狀進行修整，稱為引線成形（Lead Forming）。完成這兩項之后，就要進行最終產品檢驗了，例如低高溫測試、負載條件測試，根據半導體產品不同，檢查方法也不盡相同。

審核編輯：湯梓紅