黄沙万里

集成电路通常用单晶硅圆片制造，而单晶硅的直接材料就是多晶硅。普通沙子中的主要成分就是SIO2.

多晶硅的制备：

     1. 提取粗硅： 将二氧化硅和焦炭以一定的比例混合，在电炉中加热到1600-1800度，最终将二氧化硅还远得到粗硅。

      2. 高温氯化：将粗硅和氯化氢在200-300°下直接反应得到三氯化硅。

      3. 提纯三氯化硅： 精镏法对三氯化硅进行提纯，利用了不同物质具有不同沸点的原理。

      4. 提取三氯化硅： 高纯度的三氯化硅和高纯度的氢气在1100℃左右的高温还原炉中反应，最终得到高纯度的多晶硅。

多晶硅的纯度虽然已经非常高了，但是其混乱的晶体结构并不适合半导体制造。因此要得到制造半导体的材料，还需要经过一个从多晶硅到单晶硅的过程。

单晶硅的制备:

     大部分单晶硅都是通过直接拉法生长的，在单晶硅的生长中，首先将待提纯的多晶硅和杂质剂（硼，磷） 放入坩埚中熔融，并将籽晶（与所需晶体晶向相同的小单晶颗粒，他提供了一个晶体继续生长的中心） 浸入熔体。当籽晶周围的溶液冷却后，硅晶体就依附在籽晶上。这些新的晶体承接籽晶的取向，形成了一个大的单晶体。

     单晶硅生长完成后，当温度是当时便开始慢慢将晶体香山提拉并逐渐增大拉速。 拉晶时晶轴以一定速度绕轴旋转，同时坩埚反方向旋转，将晶体控制到所需直径。当坩埚中硅原料剩到一定量时，逐渐升温并继续维持拉速，让尾部形成锥形，这样就完成了单晶硅棒的形成了。

原片制备：

首先将单晶硅棒的头部和尾部切掉，用机械对其进行修整到合适的直径，之后得到一个合适直径和一定长度的硅棒，然后用金刚石锯来把硅棒切成一片片薄薄的圆片，圆片的每一处的厚度近似相等。然后进行研磨，减少圆片正面和背面的锯痕和表面损伤。同时打薄晶园片。

研磨后需要对晶圆进行刻蚀和清洗，使用氢氧化钠，乙酸和硝酸的混合物来减轻研磨过程中产生的损伤和裂纹。之后利用倒角工艺将圆片的边缘磨圆，彻底消除将来电路制作过程中破损的可能性。

倒角之后需要对晶圆片的边缘进行抛光，以提高整体清洁度以进一步减少破损。

这时候一片完美的晶圆就制造出来了。

研磨

 清洗

 硅片尺寸检查

圆片制备过程

圆片切割机

集成电路的制造工艺非常复杂，简单的说，就是在沉底材料上，运用各种方法形成不同的层，并在选定的区域掺入杂质，以改变半导体材料的导电特性，形成半导体器件的过程，在这个过程中更需要通过很多步骤才能完成，从晶圆片到集成电路成片大约需要经过数百道工序。通过这些复杂的工序，就能够在一块微小的芯片上集成成千上万甚至以亿计的晶体管。

       集成电路的制造工艺是由多种单项工艺组合而成的，简单来说主要的单项工艺包括三类： 薄膜制备工艺；图形转移工艺和掺杂工艺。

              1.  薄膜制备工艺： 包括烟花工艺和薄膜沉淀工艺。该工艺通过生长或者沉淀的方法，生成集成电路制造过程中所需要的各种材料的薄膜，如金属盒绝缘层。

              2. 图形转移工艺： 包括光刻工艺和刻蚀工艺，在物理上说，集成电路是由许许多多的半导体元器件组合而成的，对应在硅晶圆片上就是半导体，道题依旧各种不同层上的隔离材料的集合。集成电路制造工艺首先将这些结构以图形的形式制作在光刻掩膜版上，然后通过图形转化工艺就能最终将转移到圆片上。

              3. 掺杂工艺： 包括扩散工艺和离子注入工艺，即通过这些工艺将各种杂质按照设计要求掺杂到晶圆片的特定位置上，形成晶体管的源漏端以及欧姆接触（金属与半导体的接触）等。

       通过一定顺序的对上述单项工艺进行重复，组合使用，就形成集成电路的完整制造工艺了。

薄膜制备工艺：

        集成电路的制造过程中需要在晶圆片的表面上生长数层材质不同，厚度不同的薄膜，其中有导电膜层以及绝缘膜层，这些膜层的制备对于集成电路的制造非常重要。 制造膜层的主要方法有氧化，化学气相沉积已经物理气象沉积。

        1. 氧化 

         在集成电路制造工艺中，氧化是一项必不可少的工艺。在广义上说，凡是物质与氧发生的化学反应生成氧化物的过程都称为氧化，容易生长出高质量的硅氧化物是半导体硅材料获得普遍应用的重要原因之一。

         只要在硅暴露在氧气中，都会形成二氧化硅。当集成电路制造中用到的二氧化硅是高纯度的，需要经过特定工艺即氧化工艺制备。目前常用的工艺是热氧化方法，即硅晶圆片与含氧物质（氧气，水汽等氧化剂） 在高温下进行反应从而生成二氧化硅膜。热氧法的氧化反应在硅与二氧化硅交界面处，接触到的杂质少，生成的二氧化硅氧化膜质量较高。

   将需要氧化的硅晶圆片放在托架上

 准备氧化

 将硅圆片放入氧化炉中

  氧化后的硅片对比（右侧是氧化后的）

    2.  沉积

    与氧化（如硅的氧化反应生成二氧化硅）不同， 沉积专指薄膜形成过程中，并不消耗硅晶圆片或者衬底材料本身。

           薄膜沉积工艺是一项非常重要的工艺，以为它涵盖了晶圆片表面以上部分所有层的制备和产生，目前已经发展为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD） 两个主要的方向。金属的沉积技术通常是物理性质的，属于物理气象沉积，而半导体层和绝缘层的沉积工艺通常属于化学气相沉积。

图形转移工艺：

        不管是氧化，沉积还是扩散，离子注入，这些单项工艺本身对硅晶圆片各个不同位置没用任何选择性，他们都是对整个硅晶圆片进行处理，不涉及任何图形。

        集成电路是由成千上万甚至上亿个晶体管等元器件集成的，而这些元器件也许类型，结构，尺寸都不相同。IC制造的精髓是能够将IC设计者的要求转移到硅晶圆片上，因此在集成电路制造流程中，有一个关键问题必须解决，那就是如何在一片硅晶圆片上定义，区分和制造不同类型，不同结构已经不同尺寸的元器件？又如何将这些数以亿计的元器件集成到一起而获得预期的电路功能。

        答案只有一个，那就是集成电路制造需要图形转移工艺，它主要包括两部分，即光刻工艺和刻蚀工艺。

        1. 光刻工艺

            光刻工艺是一种图形复印技术，是集成电路制造工艺中一项关键的工艺，简单来说，光刻收到照相技术的启发，利用光刻胶感官后该特性发生改变的原理，将光刻淹没版的图形精确的复印到涂在晶圆片上的光刻胶上，然后利用光刻胶作为掩膜保护，在晶圆片表面的掩膜层上进行选择性的加工（刻蚀或注入），从而在晶圆片上获得相应的电路图形结构。

             光刻工艺是加工集成电路微型图形结构的关键技术，在主流制造工艺的单项工艺中，该工艺最为复杂，成本最为昂贵。他对各层薄膜的图形及掺杂区域的确定起着决定性的作用，通常用光刻次数和所需光刻掩膜版的个数来表示某集成电路制造工艺的难易程度。

              光刻工艺原理与我们通常的照相技术相类似，基本过程为：

              1. 在硅晶圆片上涂上一层光刻胶（有叫光致抗蚀剂，一种光敏材料），这层光刻胶相当于印相纸。用预先制作好的有一定图形的光刻掩膜版（相当于印相时的底片）盖上。

               2. 对涂有光刻胶的晶圆片进行曝光，此过程相当于印相中的感光，光刻胶感光后其特性发生改变，正胶的感光部分变得容易溶解，而负胶则相反。

               3. 对晶圆片进行显影。正胶经过显影后被溶解，只留下未受光照部分的图形，而负胶相反，收到光照部分变得不容易溶解，经过显影后，留在光照部分形成图形，之后对晶圆片进行刻蚀，便可以再晶圆片表面的掩膜成上割制出所需的图形。

               4. 用去胶法把涂在晶圆片上的感光胶去掉。

         光刻工艺是制作半导体器件和集成电路制造工艺的关键工艺。将光刻工艺和其他集成电路工艺，如掺杂工艺，薄膜制备工艺相结合，便可以完成半导体器件和集成电路的制造。

>1 光刻胶：

 正胶

 负胶

光刻胶中负胶在光刻工艺应用最早，其工艺成本低，产量高，当由于它吸收显影液后便会膨胀，导致分辨率不如正胶。以此在亚微米甚至更小尺寸的加工技术，主要是使用正胶作为光刻胶。

>2 光刻掩膜版

      集成电路设计和工艺制造之间的接口是版图，那么什么事版图呢？ 集成电路的版图对应于晶圆上是电路元器件结构的几何图形组合，只不过这些几何图形是由不同层的图形组合而成的，如有源层，多晶硅，N+注入或P+注入 N阱 已经金属层等。

      集成电路的版图是由设计工程师在工作站上完成的，最终得到的是关于版图的图像或者数据，该数据交给集成电路制造商，而制造商要将版图上的图像转移到晶圆片上，就需要经过一个重要的中间环节-----制版，即制造一套相应的光刻掩膜版。制版的目的就是产生一套分层的版图光刻掩膜版，为将来进行图形转换（光刻和刻蚀）做准备。

       制造商将设计工程师交付的标准制版数据传送给一个称为图形发生器的设备，图形发生器会根据该数据完成图形的缩小和重复，并将版图数据分层转移到各层光刻掩膜版上，这就是制版。每层版图对应不同的工艺步骤。

       光刻掩膜版质量的优劣直接影响光刻图形的质量。在芯片制造过程中需要经过十几乃至几十次的光刻，每次光刻都需要一块光刻掩膜版，每块光刻掩膜版的质量都会影响光刻的质量。因此要有高的成品率，就必须制作出搞质量的光刻掩膜版。

> 3 曝光系统

      将光刻掩膜版与涂在光刻胶的晶圆片对准，用一定波长的紫外光经过光刻掩膜版照射晶圆片，使晶圆片上受光照的光刻胶的特性发生变化，就是曝光。

      曝光熊主要有光学曝光系统和非光学曝光系统。光学曝光系统的发展经历了5个阶段，即接触式曝光，接近式曝光，投影式曝光，扫描投影式曝光已经步进扫描投影曝光，其中接触式曝光，接近式曝光和投影式曝光为普通的曝光系统。

      非光学曝光系统有电子束曝光，X射线曝光和离子束曝光，这种曝光系统容易达到较高的分辨率，其中，限角度投影式电子束光刻系统是目前最具应用前景的非光学光刻系统。

  BG-401型曝光机

光刻工艺详细步骤：

  1. 底模处理

      底模处理是光刻工艺的第一步，其主要目的是对晶圆片表面进行处理，以增强晶圆片与光刻胶之间的粘附性。

      底模处理包括如下步骤：

              1. 清洗： 使晶圆片表面清洁，干燥，这样的晶圆片表面才能与光刻胶形成良好的接触

               2. 烘干： 晶圆片表面容易吸附湿气，从而会影响光刻胶的粘附性，所以需要将晶圆片表面进行烘干。

               3. 增黏处理： 为了使晶圆片和光刻胶之间的粘附良好，需要在烘干后的晶圆片表面涂上一层增粘剂，使晶圆片和光刻胶之间的粘着力增强。

         2 ： 涂胶

            甩胶机

          对晶圆片进行底模处理后，便可以进行涂胶，在晶圆片上涂上一层粘附良好，厚度适当，均匀的光刻胶膜。

          涂胶时的晶圆片表面必须是清洁干燥的。如果晶圆搁置较久，就穾重新进行清洁处理后再涂胶。晶圆片最好在氧化后就立刻涂胶，此时期表面未被沾污。

           一般采用旋转法对晶圆片进行涂胶，其原理是利用晶圆片转动时的离心力，将滴于片上的胶液甩开，在光刻胶表面张力和晶圆片旋转离心力的共同作用下，最终展开成为厚度均匀的光刻胶膜。胶膜厚度由晶圆片转速和胶的浓度来控制。要求厚度适当，膜层均匀。粘附良好。

         3： 前烘

          烘干台

         涂胶完成后，仍有一定量的容积残存在胶膜内，若直接曝光，会影响图形的尺寸哈完好率。因此，涂胶后，需经过一个高温加热步骤即前烘，它对后续的一些工艺参数有很大的影响。

        前烘就是在一定的温度下，使光刻胶里面的溶剂寒芒的充分的逸出来，使光刻胶膜干燥，其目的是真假光刻胶和衬底间的粘附性，增强胶膜的光吸收以及抗腐蚀能力，以及缓和涂胶过程中胶膜内产生的应力等。

      4： 曝光

      5： 显影

              显影就是用显影液溶解掉不需要的光刻胶，将光刻掩膜版上的图形转移到光刻胶上。

             显影液和显影时间的选择对显影效果的影响是极为重要的。显影液的选择原则是：对需要去除的那部分光刻胶膜溶解的快，溶解度打，对需要保留的那部分光刻胶膜溶解度极小。

              显影工艺（包括温度，时间，剂量）等的控制非常重要，控制不当，光刻胶图形就会出现问题，继而影响到后面的刻蚀工艺

       6： 坚膜

               和前烘一样，坚膜也是一个热处理过程，就是在一定的温度下，对显影后的晶圆片进行烘焙。

               经过显影的光刻胶膜已经软化，膨胀，胶膜与晶圆片表面之间的粘附性下降。 坚膜的目的就是要使残留的光刻胶溶剂全部挥发，提高光刻胶与晶圆片的粘附性以及光刻胶的抗腐蚀能力，使得光刻胶确实能够起到保护作用，为下一步的刻蚀做好准备。坚膜同时也除去了剩余的显影液和水。

           7： 刻蚀

                  经过前面的一系列工艺已经将光刻掩膜版的图形转移到了光刻胶上。为了制作集成电路元器件，需要将光刻胶上的图形进一步转移到光刻胶下层的材料商。这个任务就有刻蚀来完成。

                  刻蚀就是叫涂胶前所沉积的薄膜上没有被光刻胶覆盖和保护的那部分去除掉，达到将光刻胶上的图形转移到其下层材料上的目的。

                  光刻胶的下层薄膜可能是二氧化硅，氮化硅，多晶硅或者金属材料，材料不同或者图形不同，刻蚀的要求也不同。

                  实际上，光刻和刻蚀是两个不同个加工工艺，当因为这两个工艺只有连续进行，才能完成真正意义上的图形转移，而且在工艺线上，这两个工艺经常就放在同一工序中，因此有时也将这两个步骤统称为光刻。

                  刻蚀工艺主要有湿法刻蚀和干法刻蚀，湿法刻蚀是利用液体化学试剂与待刻材料反应生成可溶性化合物，道道刻蚀的目的，是一种纯化学腐蚀，具有良好的选择性，当属于各向同性，因此对线条尺寸控制性差。干法刻蚀是利用等离子体与待刻材料相互作用（物理轰击和化学反应），从而去除未被光刻胶保护的材料而达到刻蚀的目的。

                  在图形转移中，干法刻蚀占据主导地位，例如，氮化硅，多晶硅，金属以及合金材料等均采用干法刻蚀技术，而二氧化硅采用湿法刻蚀技术，又是金属铝也采用湿法刻蚀技术。

           8： 去胶

             超声波清洗剂

             光刻胶除了在光刻过程中用作光刻掩膜版到晶圆片的图形转移媒介，还用作刻蚀时不需刻蚀区的保护膜，当刻蚀完成后，光刻胶一件不再有用，需要将其彻底去除，完成这一过程的工序就是去胶，此外，刻蚀过程中残留的各种试剂也要清除掉。

             常用的去胶方法有溶剂去胶，氧化去胶和等离子去胶三种。

              1. 溶剂去胶： 将带有光刻胶的晶圆片浸泡在去胶溶剂中去胶

              2.  氧化去胶： 利用氧化剂与光刻胶反应来去胶

              3. 等离子去胶： 利用高频电磁场使氧气在高频点成作用下电离成等离子体，其氧化能力非常强，与光刻胶反应使光刻胶编程易挥发的物质被排除系统，达到去胶的目的。

               去胶结束，整个光刻过程也就结束了。

掺杂工艺

         所谓掺杂工艺就似乎将可控数量的所需杂质掺入晶圆的特定区域中，从而改变半导体的电学性能。利用掺杂工艺，可以制作PN结，晶体管的源漏区，电阻，欧默接触等。这些是制造大规模集成电路的基础。

         扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要工艺。连着都被用来制造分离器件与集成电路，互补不足。相得益彰。扩散是较早时期采用的掺杂工艺，并沿用至今，而离子注入是20世纪60年代发展来的一种在很多方面都由于扩散的掺杂工艺。离子注入工艺大大推动了集成电路的发展，使集成电路的生产进入超大规模时代，是应用最广泛的主流掺杂工艺。

         扩散

     扩散是一种原子，分子或离子在高温驱动下由高浓度区向低浓度区的运动过程。

 一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是通过高温扩散的方式完成，扎实原子通过气相源或者掺杂过的氧化物扩散活沉积到硅晶片的表面，这些杂质的浓度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高温和扩散时间来决定。

      在早起制作晶体管和集成电路时，一般由杂质源提供扩散到硅晶圆片中的离子，并通过提高晶圆片的温度（900-1200），使离子扩散到所需深度，杂质源通常是气体，液体或者固体。扩散的目的是为了控制杂质浓度，均匀性和重复性以及批量生产器件，降低生产成本。

离子注入：

 VARIN公司的SCH-80大束流注入机。

 快速红外退火炉

相比扩散法而言，离子注入法具有加工温度低，可均匀的大面积注入杂质，易于控制等优点，已经称为超大规模集成电路的不可缺少的掺杂工艺。

 离子是原子或分子经过离子化后形成的，它带有一定量的电荷，离子注入工艺就是在真空系统中，通过电场对离子进行加速，并利用磁场使其改变运到方向，从而控制离子以一定的能量注入晶圆片内部。从而在所选择的区域形成一个具有特殊性质的表面层（注入层），达到掺杂的目的。

        离子注入工艺相比扩散工艺来说具有以下优点：

          1. 可以再较低的温度下，将各种杂质掺入到不同的半导体中

          2. 能精确控制掺入晶圆片内杂质的浓度分布和注入深度。

          3. 可以实现大面积均匀掺杂，而且重复性好。

          4. 掺入杂质纯度高

          5. 由于注入粒子的直射性，杂质的横向扩散小

          6. 可以得到理想的杂质分布

          7. 工艺条件容易控制

     不过粒子注入工艺也有其缺点，除了设备昂贵外，其最大的缺点就是用高能离子轰击晶圆片时，会导致晶体的晶格破坏，从而造成损失，必须经过加温退火工艺才能恢复晶格的完整性；此外，为了使注入杂质起到所需的施主和受主作用，也必须有一个加温的激活过程，这两种作用结合在一起，称为离子注入退火。