半导体器件制作工艺流程及方法

前道工艺和后道工艺

从硅圆片制成一个一个的半导体器件，按大工序可分为前道工艺（Front End Of the Line，FEOL，又称前端工艺）和后道工艺（Back End Of the Line，BEOL，又称后端工艺）。

前道工艺的最终目的是“在硅圆片上制作出IC电路”，其中包括300～400道工序。按其工艺性质可分为下述几大类：形成各种薄膜材料的“成膜工艺”；在薄膜上形成图案并刻蚀，加工成确定形状的 “光刻工艺”；在硅中掺杂微量导电性杂质的 “杂质掺杂工艺”等。

前道工艺与后道工艺的分界线是划片、裂片。后道工艺包括切分硅圆片成芯片，把合格的芯片固定（mount）在引线框架的中央岛上，将芯片上的电极与引线框架上的电极用细金丝键合连接（bonding）。

进一步，为起保护作用，要把芯片封入模压塑封料中，按印标示品名、型号，电镀引线，切分引线框架成一个一个的IC，把引线加工成各种各样的形状。如此做成的芯片要按IC制品规格分类，检测可靠性，出厂前最终检查，作为最初制品到此全部结束。这便是半导体IC器件的全制程。

芯片的诞生分三个步骤，分别是设计、制作和封装，难度依次减弱。现在全球芯片设计基本集中在美国，制作集中在中国台湾地区和韩国，中国大陆大部分承担的是封装工作，也就是把芯片装到板上销售。可以说，在芯片的电路设计这个领域，中国的竞争力远不如美国和韩国。

这些年来，我国通信产业发展迅速，芯片自给率不断提升。华为的麒麟芯片不断追赶世界先进水平，龙芯可以和北斗一起飞上太空，而蓝牙音箱、机顶盒等日用品也在大量使用国产芯片。但也要看到，在大容量、多功能，稳定性和可靠性要求更高的通信、军事等领域，国产芯片还有较大差距。

IC芯片制造工艺流程

只要是电子产品，就离不开芯片。芯片通常分为两种：一种是功能芯片，比如我们常说的中央处理器（CPU），就是带有计算功能的芯片；另一种就是存储芯片，比如计算机里的闪存（FLASH），是一种能储存信息的芯片。

这两种芯片，本质上都要用到载有集成电路的硅圆片。设计难，制作也不简单。我们来看具体过程。首先，需要提取纯硅，就是把二氧化硅（通俗地讲是沙子）还原成工业硅，经提纯、拉制成单晶硅棒，把硅棒切片，就得到了硅圆片——这相当于芯片的地基。就是这个“简单的”步骤，我们做得也不够好，表现为晶圆纯度、内部缺陷、应力、翘曲度等都有差距，从而影响芯片最终的良率。人们都愿意花高价买高质量的硅圆片，从而获得最终芯片的高良率，而不愿意花低价买低质量的硅圆片，因为会导致最终芯片的低良率。我国生产的硅圆片打不开国际市场就是凭证。

有了硅圆片后，就要在上面涂上一层胶，名为“光刻胶”。这是一种感光胶状物，当用紫外线加透镜去照射某一个部位时，胶面会发生变化，显影后形成电路图形，之后利用化学原理进行腐蚀，光照过的部分就会被腐蚀掉，留下凹槽。此时，往凹槽里添加硼、磷等介质，就会出现一个半导体或者电容。依此类推，我们再涂一层胶，再照射，再腐蚀，再掺入……不断重复，像搭房子一样搭出一个复杂的集成电路，也就是芯片的核心部分。

以上是光刻技术的基本原理，实际操作起来要复杂得多，还会涉及波长等问题。光刻最主要的器械就是光刻机，这项技术长期被荷兰、日本、德国垄断，一台机器要花七八亿元人民币，而且他们只优先提供给中国台湾、韩国等地的大客户。中国大陆也有自己的光刻机，但是与世界先进水平相比，差距还很大。

半导体全面分析（三）：制造三大工艺，硅片五大巨头

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十、制造

28. 市场：五千亿，国内缺口 500 亿

设计完成后，下一步就是制造，制造常被称为 晶圆代工 ，是指经过一系列标准的半导体加工工艺，将设计得到的版图结构转移到裸露的晶圆上，以形成附加值较高的半导体芯片

根据 IC insights，2018 年全球晶圆代工行业市场规模 710 亿美金

手机 相关占一半

28nm 以下占一半

中国市场规模 107 亿美元 ，占全球1/5

国内晶圆代工厂高端工艺产能不足，2017 年国内设计公司到外资晶圆代工厂代工规模达 481 亿元

29. 技术： 晶圆、芯片、封测

芯片制造是人类历史上 最复杂的工艺 ，加工精度为头发丝的几千分之一，需要上千个步骤才能完成，其难度，堪比两弹一星

依产品种类不同，产品所需的加工道次约 400 至 600 道，加工时间 2-3 个月，可分为 晶圆、芯片、封测 三大部分，下面一一介绍

十一、晶圆

30. 技术： 定义

盖房要有地基，如果将芯片制造比拟成用乐高积木盖房子，藉由一层又一层的堆叠，完成自己期望的造型（也就是各式芯片），便需要一个 平稳的基板 ，对芯片制造来说，这个基板就是衬底 ，也叫晶圆 ，是制造半导体器件的“地基”，通过在衬底上实施一系列的工艺流程，就可以得到相应的半导体产品

回想一下小时候在玩乐高积木时，积木的表面都会有一个一个小小圆型的凸出物，藉由这个构造，我们可将两块积木稳固的叠在一起，且不需使用胶水。芯片制造，也是以类似这样的方式，将后续添加的原子和基板固定在一起。因此，我们需要寻找表面整齐的基板，以满足后续制造所需的条件，在固体材料中，有一种特殊的晶体结构── 单晶（Monocrystalline） 。它具有原子一个接着一个紧密排列在一起的特性，可以形成一个平整的原子表层。因此，采用单晶做成晶圆 ，便可以满足以上的需求

31. 技术： 提纯、生长、成型

衬底可以选择多种材料，其中最广泛使用的是 硅 ，其它化合物材料请持续关注本公众号史晨星（shichenxing1）

硅晶圆的制造可以归纳为三个基本步骤： 提纯、单晶硅生长、硅片成型

提纯

硅的主要评判指标是 纯度 ，你想想，如果硅原子之间有一堆杂质，那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。无论啥东西，纯度越高制造难度越大。用于太阳能发电的高纯硅要求99.9999%，这玩意儿全世界超过一半是中国产的，早被玩成了白菜价。芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%(别数了，11个9 ) ，半导体硅片的制造难度远远大于光伏硅片

提纯分成两个阶段，第一步是 冶金级纯化 ，加入碳，以氧化还原的方式，将氧化硅转换成 98% 以上纯度的硅 第二步是三氯氢硅法 （西门子法Siemens process），通过加热含碳的硅石来生成气态的二氧化硅（SiO2）再用纯度约98%的二氧化硅，通过压碎和化学反应生产含硅的三氯氢硅气体（SiHCl3）最后用改良西门子法，将三氯氢硅经过再一次的化学过程，用氢气还原制备出纯度为99.999999999%的半导体级硅

生长

这种硅原子纯度够了，但排列混乱，会影响电子运动，只能叫 多晶硅

长晶技术路线主要分为 直拉法（CZ） ，区熔法（FZ） 。其中直拉法是目前市场的主流，可支持 12 寸硅片生产，而区熔法则相对简单，仅可支持 8 寸及以下尺寸硅片生产

将多晶硅融化，形成液态的硅，以单晶的 硅种（seed） 和液体表面接触，一边旋转一边缓慢的向上拉起。至于为何需要单晶的硅种，是因为硅原子排列就和人排队一样，会需要排头让后来的人该如何正确的排列，硅种便是重要的排头，让后来的原子知道该如何排队。最后，待离开液面的硅原子凝固后，排列整齐的单晶硅柱便完成了

成型

硅晶棒再经过切段、滚磨、切片、倒角、抛光、激光刻后，成为集成电路工厂的基本原料—— 硅晶圆片

32. 技术路线： 大尺寸化

伴随着半导体行业的发展，硅片的尺寸也逐步提升。每次硅片直径的提升，都会使得 单片晶圆产出的芯片数量呈几何倍数增长 ，从而在生产过程中提供显著的规模经济效益

晶圆面积越大，在同一晶圆上可生产的集成电路IC越多，成本越低，硅片的发展趋势也是大尺寸化，目前 300mm 硅片已成为业内主流，2017 年全球 12 寸出货面积约占硅片总体的 66.1%

12 寸硅片的下一站是 18 寸（450mm） 硅片，但由于 12 寸硅片可以满足当前的生产需求，且 18 寸硅片设备研发难度极大，由于面临资金和技术的双重压力，晶圆厂向450mm（18英寸）产线转移的速度放缓，根据国际预测，到 2020 年 左右，450mm的硅片开发技术才有可能实现初步量产

33. 产业： 全球五大巨头

全球前五家供应商日本信越化学、日本三菱住友 SUMCO、台湾环球晶圆、德国世创电子 Siltronic AG 和韩国 SK Siltron Inc.，占据半导体硅片市场 90% 以上份额

日本信越化学

信越化学能够制造出具有 11 个 9 （99．999999999％）的纯度与均匀的结晶构造的单晶硅，表面的平坦度 1 微米 以下

台湾环球晶圆

德国世创电子 Siltronic

2014 年 1 月，在新加坡运行了 全球最大 的 200mm 和 300mm 硅片厂，产能分别为 23 万片/月和 32.5 万片/月

34. 产业： 中国

我国 8 英寸硅片已经开始进入 放量 阶段，12 英寸 产能不足，质量也有待提升

上海硅产业集团

上海硅产业集团旗下上海新昇、新傲科技、Okmetic 三家控股子公司，其中新傲科技、Okmetic 主要负责 200nm 及以下抛光片、外延片及 SOI 硅片, 上海新昇 主要负责 300nm 抛光片及外延片，2019 年 11 月科创板 过会，成为国内首家

上海新昇是目前唯一获得国家重大项目支持的硅片公司，承担了国家 02 专项核心工程之一的“40-28 纳米集成电路制造用 300 毫米硅片 ”项目，2016年10月成功拉出第一根12英寸单晶硅锭，2018年实现了12英寸硅片的规模化生产

十二、芯片

35. 技术： 定义

硅片切好之后，就要在晶圆上把成千上万的电路装起来的，干这活的就叫“ 晶圆厂 ”。各位拍脑袋想想，以目前人类的技术，怎样才能完成这种操作？

用 原子操纵术 ？想多了，朋友！等你练成御剑飞行 的时候，人类还不见得能操纵一个一个原子组成各种器件，那究竟怎么做呢，先看个视频，再听下回分解

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