深入了解半导体晶圆制造

01什么是晶圆制造？

晶圆制造（也称为晶圆厂或简称 Fab）是用于在半导体晶圆上制造集成电路 (IC) 的工艺。半导体晶圆制造过程涉及在超洁净环境中执行的数百个单独步骤，将裸硅晶圆转变为包含数十亿晶体管的复杂芯片。

硅晶圆

晶圆制造从高纯度硅晶圆开始，直径通常为 200mm（8 英寸）或 300mm（12 英寸）。这些晶圆是用直拉法从硅锭上切割下来的，纯度达到 99.9999999%（九个九）。

前道工序 (FEOL)

FEOL 处理在晶圆上创建有源器件（晶体管）。包括栅极氧化、掺杂离子注入，以及形成执行计算操作的晶体管结构。

后道工序 (BEOL)

BEOL 处理创建将晶体管连接在一起的金属互连。现代芯片有 10-15+ 层金属，先进工艺使用仅几纳米宽的铜导线连接数十亿个晶体管。

02晶圆制造步骤

硅晶圆制造过程由几个关键阶段组成，每个阶段都要重复多次以构建集成电路的各层。

1. 01
   氧化与沉积

   在晶圆表面生长或沉积薄膜。热氧化产生用于绝缘的二氧化硅。CVD（化学气相沉积）和 PVD（物理气相沉积）添加多晶硅、金属和介电材料等。
2. 02
   光刻

   在晶圆上涂覆光敏光刻胶。UV 或 EUV 光通过掩模将电路图案投射到光刻胶上。曝光的图案被显影，为下一工艺步骤创建窗口。
3. 03
   刻蚀

   通过光刻胶窗口选择性地去除材料。湿法刻蚀使用化学溶液，而干法刻蚀（等离子体）为先进节点提供更高精度。图案转移创建电路特征。
4. 04
   离子注入

   掺杂材料（硼、磷、砷）的离子被加速注入硅中以改变其电学特性。这创建了形成晶体管的 n 型和 p 型区域。
5. 05
   CMP（抛光）

   化学机械抛光使晶圆表面平坦化，为后续层创建平坦表面。对于每层都必须完全平整的多层金属化至关重要。
6. 06
   量测与检测

   在整个过程中，自动检测系统检查缺陷。关键尺寸测量确保特征符合设计规格。缺陷芯片被标记以便后续剔除。

03洁净室环境

半导体晶圆制造需要极其洁净的环境。一个微粒就可能毁坏整个芯片，这使得洁净室技术至关重要。

ISO 1 级洁净室

现代晶圆厂在 ISO 1 级洁净室中运行，每立方米中大于 0.1 微米的颗粒少于 10 个。这比医院手术室洁净 10,000 倍。

HEPA & ULPA 过滤

高效颗粒空气 (HEPA) 和超低穿透空气 (ULPA) 过滤器持续去除颗粒。生产区域的空气每小时完全更换 10-600 次。

无尘服

工人穿着全身洁净服（兔子服）、手套和口罩以防止人体污染。自动化物料处理系统最大限度减少关键区域的人员存在。

水和化学品纯度

晶圆制造中使用的超纯水 (UPW) 污染物含量低于十亿分之五。所有化学品在用于晶圆厂之前都经过严格纯化。

04光刻技术

光刻是在晶圆上定义电路图案的关键步骤。光刻技术的进步使晶体管尺寸得以持续缩小。

深紫外 (DUV) 光刻

193nm 氟化氩 (ArF) 激光用于 7nm 及以上节点（配合多重图案化）。DUV 系统每台成本 5000 万-1 亿美元，是大多数晶圆制造的主力设备。

EUV 光刻

极紫外（13.5nm 波长）光刻使单次图案化实现 7nm 以下节点成为可能。EUV 设备成本 1.5 亿美元以上，仅由 ASML 生产。对 5nm/3nm/2nm 工艺至关重要。

多重图案化

对于先进节点的 DUV，多次曝光和刻蚀创建小于光波长的特征。SADP（自对准双重图案化）和 SAQP（四重）等技术扩展了 DUV 的能力。

05工艺节点演进

晶圆制造技术通过不断缩小的工艺节点取得进步，每一代都能在每个芯片上集成更多晶体管。

06晶圆制造常见问题

关于半导体晶圆制造和芯片制造工艺的常见问题。

什么是晶圆制造？

晶圆制造是在半导体晶圆上制造集成电路的过程。它涉及数百个工艺步骤，包括薄膜沉积、光刻、刻蚀、离子注入和量测。该过程将空白硅晶圆转变为包含晶体管和互连的数千个单独芯片（裸片）。

晶圆制造需要多长时间？

晶圆制造过程通常需要 8-16 周，具体取决于工艺复杂度和节点。金属层更多的先进节点需要更长时间。这包括所有加工步骤，但不包括封装和测试，这些会增加额外时间。

晶圆制造有多少工艺步骤？

现代晶圆制造涉及 300-1000+ 个单独的工艺步骤，具体取决于技术节点。每个金属层都需要沉积、光刻、刻蚀和 CMP 步骤。具有 10+ 金属层和复杂晶体管结构的先进节点比成熟节点需要更多步骤。

200mm 和 300mm 晶圆有什么区别？

200mm（8 英寸）和 300mm（12 英寸）指的是晶圆直径。300mm 晶圆的面积是 200mm 的 2.25 倍，每片晶圆可生产 2.25 倍的芯片。大多数先进晶圆厂使用 300mm 以提高效率，而 200mm 晶圆厂常见于成熟/特种工艺。行业正在开发 450mm 晶圆。

为什么晶圆制造需要洁净室？

洁净室是必要的，因为大于特征尺寸的颗粒会导致缺陷。在 7nm 时，0.1 微米的颗粒比最小特征大 14 倍。洁净室通过复杂的空气过滤、温湿度控制和严格的规程保持 ISO 1-4 级环境。

什么是光刻？

光刻是使用光将电路图案转移到晶圆上的过程。包含图案的光掩模被照明，将图像投射到涂有光刻胶的晶圆上。曝光的光刻胶被显影，为后续的刻蚀或沉积步骤创建窗口。

什么是 EUV 光刻？

EUV（极紫外）光刻使用 13.5nm 波长的光来图案化先进节点（7nm 及以下）的特征。短波长可实现比传统 193nm DUV 光刻更小的特征。EUV 设备成本 1.5 亿美元以上，仅由 ASML 制造。

晶圆制造的成本是多少？

晶圆制造成本因节点不同而差异很大。加工一片 300mm 晶圆的成本：成熟节点（65nm+）2,000-5,000 美元，主流节点（28nm-22nm）5,000-10,000 美元，先进 FinFET（16nm-7nm）10,000-20,000 美元，前沿节点（5nm 及以下）20,000 美元以上。MPW 班车在参与者之间分摊这些成本。

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1. [1]
   SEMI Industry Standards

   SEMI - Semiconductor Equipment and Materials International
2. [2]
   TSMC Technology

   Taiwan Semiconductor Manufacturing Company
3. [3]
   ASML Lithography Technology

   ASML Holding
4. [4]
   Applied Materials Semiconductor Solutions

   Applied Materials