半导体器件制造过程中使用的工艺是什么？微芯片制造的分步指南

从本质上讲，半导体器件制造是一个循环制造过程，它利用光、化学物质和专业材料，在硅晶圆上逐层构建微观的三维电子电路。一个典型的循环包括沉积一层材料、涂覆一层感光涂层（光刻胶）、使用光刻图案硬化特定区域，然后通过化学蚀刻去除不需要的材料以形成特征。这个完整的序列会重复数百次，以构建晶体管和集成电路等复杂器件。

需要掌握的核心概念是，半导体制造不是单一的装配线，而是一种微观的、增材和减材相结合的 3D 打印形式。该过程会反复添加新的材料层，然后在这些层上精确地雕刻出图案，从而逐步构建出现代微芯片的复杂架构。

基础：从沙子到硅晶圆

起始材料

几乎所有现代半导体器件，从晶体管到复杂的处理器，都始于一个称为硅晶圆的薄而完全平坦的圆盘。

这些晶圆是通过生长一个巨大的、单晶的超纯硅制成的，然后将其切割成圆盘并抛光至原子级的平滑度。这个原始的表面是所有电路构建的画布。

目标：制造晶体管

制造的最终目标是制造数十亿个称为晶体管的微小开关（如 FET 或 BJT），并通过金属线将它们连接起来。这些晶体管是所有数字逻辑和存储器的基本构件。

核心制造循环：用光和化学物质进行雕刻

电路的创建不是一个单一的过程，而是一个可以重复数百次的循环。每个循环都会为器件增加一层新的复杂性。

第 1 步：沉积（添加一层）

首先，一层特定的薄膜均匀地沉积在整个晶圆表面上。该材料可以是绝缘体（如二氧化硅）、导体（如铜）或其他半导体材料。

例如，可能会使用化学气相沉积（CVD）添加一层氮化硅，该过程可能涉及氨气作为前驱物。这为下一个图案创建了一个新的、空白的基底。

第 2 步：光刻（创建蓝图）

这是最关键的步骤，电路设计被转移到晶圆上。它涉及用一种称为光刻胶的耐光化学物质涂覆晶圆。

一个充当电路图案模板的掩模，放置在紫外光源和晶圆之间。当光线照射时，它会选择性地硬化（或软化，取决于工艺）光刻胶，从而形成精确的图案。

第 3 步：蚀刻（去除材料）

然后，晶圆暴露于化学物质或等离子体中，这些物质会蚀刻掉未被硬化光刻胶图案保护的材料。

这会将 2D 图案从光刻胶转移到下方的 3D 材料层中。光刻胶充当临时掩模，确保只去除下方薄膜的所需部分。

第 4 步：剥离（清理基底）

最后，使用溶剂或等离子体将剩余的光刻胶从晶圆上完全去除或“剥离”。

这样就在晶圆上留下了一层新图案化的材料。晶圆现在干净了，可以开始一个新的沉积步骤，从而开始整个循环。

理解权衡和挑战

该过程的精妙之处隐藏着巨大的工程复杂性。成功取决于应对关键的物理和化学限制。

精度问题：对准和分辨率

每一层新材料都必须以纳米级的精度与下面的一层对齐。在数百层上轻微的错位都可能导致整个芯片无法工作。此外，物理定律限制了可以用光投射的图案的最小尺寸。

填充空隙的挑战

随着元件垂直构建，它们之间会形成微小的、高深宽比的间隙。在不产生空隙的情况下，用绝缘体或导电材料填充这些空隙是一项重大挑战。空隙会捕获电荷或阻碍电信号，导致器件故障。

纯度要求：污染控制

整个制造过程都发生在“洁净室”中，这是地球上最无菌的环境之一。对于晶体管的微观尺度来说，一粒灰尘就像一块巨石，很容易毁坏芯片，造成导致最终产品报废的缺陷。

理解的关键原则

要真正掌握半导体制造的精髓，请关注根本目标，而不是死记硬背单一的步骤顺序。

如果您的主要关注点是总体流程：请记住，这是一个高度重复的循环，包括沉积、光刻、蚀刻和剥离，用于从头开始构建 3D 结构。
如果您的主要关注点是电路的设计方式：请理解光刻是将工程师的数字设计（编码在掩模上）物理图案转移到晶圆上的关键步骤。
如果您的主要关注点是物理器件：将该过程视为一种复杂的雕刻技术，其中反复添加和去除材料层，以创建晶体管及其互连的功能架构。

最终，半导体制造是将人类设计转化为数字世界物理现实的引擎。

摘要表：

步骤	过程	关键操作	目的
1	沉积	添加材料层（例如，通过 CVD）	为图案化创建新的均匀表面
2	光刻	使用紫外光和掩模对光刻胶进行图案化	将电路设计转移到晶圆上
3	蚀刻	去除未受保护的材料（例如，使用化学品/等离子体）	将图案雕刻到下层材料中
4	剥离	去除剩余的光刻胶	为下一个循环清洁晶圆