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电子行业人士带你入行之晶圆设计制造小白篇

已有 158 次阅读2016-6-20 15:13 |个人分类:公司动态| 关键词: 电子元器件, 半导体, IC芯片

晶圆对于电子行业来说,并不陌生。晶圆是一个包含集成电路的硅晶片,它是制造芯片的基础。

如果要解释晶圆(wafer)的话,大家可以用乐高积木脑补一下,如果用积木比如成芯片的话,那上面一个个小的凸点就是晶圆(wafer)。在晶圆的基础上添加基板和原子,这就是芯片的雏形。

在晶圆的原材料里面,有一种叫单晶(monocrystalline)的特殊晶体结构,其特性是N个原子在上面紧密排列成一个平整的原子表层。可以说,单晶是晶圆最常用的固体材料。要想生产这种材料,必须对原材料进行纯化和拉晶。

单晶的晶圆制造步骤

第一步是冶金纯化,在2000°C的电弧熔炉中放入砂石原料,并在纯化的过程中加入碳,使其氧化还原后把硅的纯度提高至98%以上。然后还要将其与氯化氢进行氯化反应,然后再通过其他的工艺(如下图),进一步提纯(纯度提高到99.9999999999%),成为制作IC芯片所需的电子级硅。

第二步就是拉晶,先融化前面纯化好的晶硅,将成为液体状态的硅与单晶的硅种(seed)接触,边旋转边缓慢将硅种拉起,就像做陶艺一样,待离开液面的硅原子凝固后便完成了单晶硅柱了(硅种就是为了让原子排列整齐的)。

而平常我们说的8寸、12标识,就是指拉晶后的晶柱,前面我们说了,拉晶想做陶艺,所以拉晶的时候速度和温度的控制直接影响着晶柱质素。越大的尺寸对拉晶的温度和速度的把控越严格,所以12寸的比8寸的晶圆要贵。

当然,这么长的硅柱是没有办法直接做成芯片的基板,那怎么办?接下来就要切割,用钻石刀横向切成圆片,再经过抛光后做出制作芯片所需要的硅晶圆。

通过纯化和拉晶,芯片基板就大功告成了。下面就是芯片制作,这跟乐高积木一样层层叠堆,进而造出我们期许的IC芯片。

层层叠堆的芯片

IC芯片的制造,就是将设计好的电路叠堆组合起来的,这种制作方法可减少因为电路连接而造出的面积浪费。具体参考下图:

注:图片来源网络

从上面的IC电路立体图可以直观看出,IC芯片就像建房子一样,层层叠堆。图中紫色圆形的部分就是晶圆,不难看出,晶圆基板在芯片中的重要性是不言而喻的。

和其他楼层相比,IC电路的“建造”是十分复杂的。如果说红色部分是整个“大楼”的首层,也是整个IC电路中的逻辑闸层,这里掌握着较多的机动性,作为整个IC电路的重要组成部分,这里能将多种逻辑闸结合在一起,组成功能各异的芯片。

而粉色部分则可以形容为楼顶,和一楼不同,这里不需要太复杂的结构,也没有其他多余的功能。这里就是将晶圆和逻辑闸连接在一起,用以满足多线路下的接驳需求。

芯片构架 逐步完成

在了解芯片(芯易网)的构造后,制作的方法也就容易读懂的了。和设计芯片一样,制作IC也有一个形象的比如—油漆喷灌。一般的用油漆喷灌作图的时候,需要把割出图形的遮盖板覆盖在纸上,然后均匀喷上油漆。IC的制造方法也是一样,由遮盖的方法一层层叠堆上去。

制作IC的流程可分为四步(参考下图),除了材料、工艺之外,目前行业内大部分都采用这种流程。然而这个IC制作过程和油漆喷灌也有一点不同,就是制造IC是先涂料再盖遮版,而喷漆作画则是先盖再喷。

以上流程完成后,就到了最后一步,将用晶圆做成的IC芯片剪下来;最后将剪下来的IC芯片送到封装厂做封装即可。


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