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从入门到放弃,芯片的详细制造流程!

鲜枣课堂  · 公众号  ·  · 2025-04-21 11:30

正文

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后烘的目的,是让光刻胶中的光化学反应充分完成,弥补曝光强度不足的问题。同时,后烘还能减少光刻胶显影后,因为驻波效应产生的一圈圈纹路。


接下来,是 显影


曝光之后,将晶圆浸泡在显影溶液中。显影溶液会去除被照射过的光刻胶(正胶),露出图案。



然后,对晶圆进行冲洗并干燥,就能够留下一个精确的电路图案了。


关于光刻机


这里插一段,专门说说这个光刻机。


传统的光刻技术,通常使用深紫外光(DUV)作为光源,波长大约在193nm(纳米)。光波的波长,限制了光刻工艺中最小可制造的特征尺寸(即分辨率极限)。随着芯片制程的不断演进,传统的DUV光刻技术,逐渐无法满足要求。


于是,就有了 EUV光刻机


EUV光刻机使用极紫外光( Extreme Ultra-Violet,EUV)作为光源,波长仅为13.5nm,远远小于DUV。这使得EUV光刻能够创建更小的特征尺寸,满足先进芯片制程(如7nm、5nm、3nm)的制造需求。


EUV光刻对光束的集中度要求极为严格,工艺精度要求也非常变态。例如,EUV光刻机用于反射的镜子长度为30cm(厘米),表面起伏不得超过0.3nm(纳米)。相当于修一条从北京到上海的铁轨,要求铁轨的起伏不能超过1mm。


极高的技术指标要求,使得EUV光刻机的制造变得非常非常困难。全球范围内能够 研发和制造EUV光刻机的企业屈指可数。而居于领先地位的,就是大名鼎鼎的荷兰ASML (阿斯麦)公司。



根据ASML透露的信息,每一台EUV光刻机,拥有10万个零件、4万个螺栓、3千条电线、2公里长软管。EUV光刻机里面的绝大多数零件,都是来自各个国家的最先进产品,例如美国的光栅、德国的镜头、瑞典的轴承、法国的阀件等。


单台EUV光刻机的造价高达1亿美元,重量则为180吨。每次运输,要动用40个货柜、20辆卡车,每次运输需要3架次货机才能运完。每次安装调试,也需要至少一年的时间。


ASML的EUV光刻机产量,一年最高也只有30部,而且还不肯卖给我们。整个芯片产业里面,“卡脖子”最严重的,就是这个EUV光刻机。



刻蚀


好了,继续聊芯片制造流程。


现在,图案虽然是显现出来了,但我们只是去掉了一部分的光刻胶。我们真正要去掉的,是下面的氧化层( 未被光刻胶保护的那部分)。



也就是说,我们还要继续往下“挖洞 ”。


这时要采用的工艺,就是刻蚀。


刻蚀工艺分为湿法刻蚀和干法刻蚀两种。


湿法刻蚀,是 将晶圆片浸入到含有特定化学剂的液体溶液中,利用化学反应来溶解掉未被光刻胶保护的半导体结构(氧化膜)。


干法刻蚀,是使用 等离子体或者离子束等来对晶圆片进行轰击,将未被保护的半导体结构去除。


刻蚀工艺中,有两个概念需要关注。一是各向同性(各向异性),二是选择比。



如上图所示,湿法刻蚀的时候,会朝各个方向进行刻蚀,这就叫“各向同性”。而干法刻蚀,只朝垂直方向进行刻蚀,叫“各向异性”。显然后者更好。


刻蚀的时候,既刻蚀了氧化层,也刻蚀了光刻胶。 在同一刻蚀条件下,光刻胶的刻蚀速率与被刻蚀材料(氧化层)的刻蚀速率之比,就是选择比。显然,我们需要尽可能少刻蚀光刻胶,多刻蚀氧化层。



目前,干法刻蚀占据了主导地位,是业界的优先选择。


因为干法刻蚀具有更强的保真性。而湿法刻蚀的方向难以控制。在类似3nm这样的先进制程中,容易导致线宽减小,甚至损坏电路,进而降低芯片品质。



掺杂(离子注入)


好啦,“挖洞 ”的工艺,介绍完了。


此时的晶圆表面,已经被刻出了各式各样的沟槽和图形。


接下来,我们再来看看掺杂工艺。


之前介绍芯片基础知识( 半导体芯片,到底是如何工作的? )的时候,小枣君提过,晶体管是芯片的基本组成单元。而每一个晶体管,都是基于PN结。如下图(MOSFET晶体管,NPN)所示,包括了P阱、N阱、沟道、栅极,等等。



前面的光刻和刻蚀,我们只是挖了洞。接下来,我们要基于这些洞,构造出P阱、N阱。


纯硅本身是不导电的,我们需要让不导电的纯硅成为半导体,就必然需要向硅内掺入一些杂质(称为掺杂剂),改变它的电学特性。


例如,向硅材料内掺入磷、锑和砷,就可以得到N阱。掺入硼、铝、镓和铟,就可以得到P阱。



N是有自由电子的。P有很多空穴,也有少量的自由电子。通过在通道上加一个栅极,加一个电压,可以吸引P里面的电子,形成一个电子的通道(沟道)。在两个N加电压,NPN之间就形成了电流。







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