半导体 | 晶圆制造工艺基础知识
在当今的半导体领域，晶圆制造无疑占据着至关重要的地位。它宛如整个半导体流程的核心基石，是连接原材料与最终半导体产品的关键环节。没有高质量的晶圆制造，后续的设计、封装等环节都将失去坚实的基础，它决定着半导体器件的性能、可靠性和成本，是推动半导体技术不断向前发展的强大动力，为现代科技的进步和创新提供着源源不断的支持。
在具体晶圆制造之前，先对晶圆、芯片及其术语做一个大致的介绍会有助于我们的理解：
一、晶圆术语
晶粒（chip、die）、器件（device）、电路（circuit）、微芯片（microchip）或条码（bar）：下图中可以看到，很多四边形都聚集在圆形晶圆上，所有这些名词指的都是这些四边形代表的微芯片图形。将测试合格的die切割下来，做封装后就成为芯片，一个芯片封装一个die称为单封，封装两个或两个以上的die称为合封。
划片线（scribe line、saw line）或街区（street、avenue）：看上去各个晶粒像是粘在一起,但实际上晶粒与晶粒之间具有一定的间隙，该间隙称为划片线。在晶粒和晶粒之间设置分割线的是为了在晶圆加工完成后将这些晶粒一个个割断,然后组装成芯片。划片线通常是空白的，但有些公司在间隔区内放置对准标记，或测试的结构。
工程实验片（engineering die）和测试晶粒（test die）：这些晶粒与正式晶粒或电路晶粒不同。它包括特殊的器件和电路模块用于晶圆生产工艺的电性测试；
晶圆的晶面（wafer crystal plane）：图中的剖面标示了器件下面的晶格构造，此图中显示的器件边缘与晶格构造的方向是确定的；
晶圆定位边（wafer flats）/凹槽（notche）：图示的晶圆由主定位边（major flat）和副定位边（minor flat），表示这是一个P型<100>晶向的晶圆。300mm和450mm直径的晶圆都是用凹槽作为晶格导向的标识，和定位边晶圆相比,凹槽晶圆可以制造更多的晶粒,因此效率很高。
二、芯片术语
以一个中规模(MSI)/双极型集成电路（IC）的显微照片为例。（之所以选择这个集成等级，是为了照片上能显示出电路的具体图形。对于更高集成度的电路,它的元件非常小，以至于在整个芯片的显微照片上无法辨认。）下图中芯片的特性是:
①.双极型晶体管②.电路的特定编号③.为连接芯片与管壳而备的压焊点④.压焊点上的一小块污染物⑤.金属表面导线⑥.划片线(芯片间的分割线)⑦.独立未连接的元件⑧.掩模版对准标记⑨.电阻
三、晶圆制造的基本流程
晶圆制造可分为前端工艺（Front end）和后端工艺（Back end）。前端工艺主要是制备晶体管，后端工艺为晶体管制备之后的多层布线工序。总体而言，前端是需要多次重复相同的工序进行产品生产的方式，因此称为“循环型工艺”。前端制程主要包括：清洗、氧化、光刻、刻蚀、离子注入和热处理、成膜、平坦化（CMP，Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光）、中测，多次循环并把前段制程集成化。
四、晶圆制造的基础工艺
1.薄膜工艺
我们知道在比人类的“指甲盖”还小、像纸一样薄的半导体芯片上有着细小的、数以“百万计”的层 (layer)。就像高楼大厦一样高而坚固地堆叠起来, 构成复杂的结构。薄膜工艺(layering)是在晶圆表面形成薄膜的加工工艺。这些薄膜可以是绝缘体、半导体或导体。它们由不同的材料，并使用多种工艺生长或淀积而成。这些薄膜起到电路之间的分隔、连接和保护作用，成膜指的就是生成这种薄膜的过程。通用的淀积技术是物理气相淀积(PVD),化学气相淀积(CVD)、蒸发和溅射、分子束、外延生长、分子束外延和原子层淀积(ALD)。使用电镀在高密度集成电路上淀积金属化层。
2.图形化工艺
图形化工艺是将一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分去除的工艺。在此之后，晶圆表面会留下带有微图形（pattern）结构的薄膜。被除去的部分可能形状是薄膜内的孔或是残留的岛状部分。
图形化工艺是所有工艺中最关键的，图形化工艺确定了器件的关键尺寸。图形化工艺过程中的错误可能造成图形歪曲或套准不好，最终影响器件性能。图形化工艺在现代晶圆中要完成30层或更多，制程中的污染物会造成缺陷，缺陷也会影响器件性能。
电路设计：电路设计是生产芯片整个过程的第一步，电路设计由布局和设计电路上一块块的功能电路图开始，比如逻辑功能图。这个逻辑设计了电路要求的主要功能和运算，设计人员将逻辑功能转化为电路图，电路图标出了各种电路元件的数量和连接关系，每一个元件在图上由符号表示，附在电路图上的是电路运行必需的电参数（电压、电流、电阻等）。
电路版图设计：电路的工作运行与很多因素相关，包括材料电阻率，材料物理特性和元件的物理尺寸。另外的因素是各个元件之间的相对定位关系。所有这些要考虑的因素决定了元件、器件、电路的物理布局和尺寸。线路图设计使用专用的软件将电路元件转为具体的图形和尺寸。制造集成电路和盖楼房同样需要一层一层的建，因此必须将电路的复合图分解为每层的设计图，每层的图形是数字化的（数字化使图形转换为数据库）并由计算机处理的X-Y坐标的设计图。
光刻母版和掩膜版：光刻工艺用于晶圆表面和内部产生需要的图形和尺寸。光刻母版是在玻璃或石英板的镀薄膜铬层上生成分层设计电路图的复制图。电子束曝光系统跳过母版或掩膜版，直接在晶圆上曝光。光刻母版和掩膜版由工厂单独的部门制造或从外部供应商购买，每个电路类型都有自己分别的光刻母版或掩膜版。
3.掺杂工艺
掺杂是将特定量的杂质通过薄膜开口引入晶圆表层的工艺过程，其本质是在晶圆上制作P、N结。它有两种工艺方法：热扩散（thermal diffusion）和离子注入（ion implantation）。热扩散是在1000℃左右的高温下发生的反应，气态下的掺杂原子通过扩散化学反应迁移到暴露的晶圆表面，形成一层薄膜，在芯片应用中，热扩散也称为固态扩散，因为晶圆材料是固态的。扩散掺杂是一个化反应过程，由物理规律支配杂质的扩散运动。离子注入是一个物理过程，在离子源的一端，掺杂体原子被离子化（带有一定的电荷），被电场加到超高速，穿过晶圆表面，注入到晶圆表层中。
4.热处理工艺
热处理是简单的将晶圆加热和冷却来达到特定结果的制程。在热处理的过程中，在晶圆上没有增加或减去任何物质。然而，工艺过程可能会在晶圆中或晶圆上面产生污染。
在离子注入制程后会有一个重要的热处理。掺杂原子的注入所造成的晶圆损伤会被热处理修复，这被称为退火（anneal），温度在1000℃左右。金属导线制成后为了确保良好的导电性，金属会在450℃热处理后与晶圆表面紧密熔合。热处理的第三种重要用途是通过加热在晶圆表面的光刻胶将溶剂蒸发掉，从而得到精确的图形。
五、晶圆中测
量/检测是半导体制造重要的质量检查工艺，涉及膜厚、折射率、膜应力等参数测量，以及各类表面缺陷检测等，对硅片厂/晶圆厂保障产品良率、产品一致性、降低成本等至关重要。在品圆制造完成之后，接下来是一步非常重要的测试步骤:晶圆中测。这步测试是品圆生产过程的报告卡。在测试过程中,检测每一个芯片的电性能和电路功能。品圆中测又称为芯片分选(die sort)或电分选(electrical sort)。
六、IC封装芯片制备完成后，绝大部分芯片都会被传送到第4个制造阶段-封装（packaging），封装过程中，晶圆被分成许多小芯片，合格的芯片被封装在一个保护壳内，也有一些芯无需封装直接合成到电子系统中。
参考文献：
1.【美】Peter Van Zant ，韩郑生译，芯片制造-半导体工艺制程实用教程（第六版），电子工业出版社；
2.《半导体材料课程》，杨德仁院士，浙江大学；3.余盛，芯片战争，华中科技大学出版社；4. 知乎~胡说漫谈，解析芯片制造全流程https://zhuanlan.zhihu.com/p/6115413205.视频号~原理科普：芯片制造难在哪？3D动画演示1块硅矿石是如何变成为芯片的？