第九十四章 芯片工藝

　　對(duì)于信越、LG化學(xué)的垂死掙扎，黃豪杰沒(méi)有在意。

　　因?yàn)閷?duì)于銀河科技而言，硅片的面積已經(jīng)失去了意義。

　　如果需要，中子星公司隨時(shí)生產(chǎn)大面積的方晶片，所以就算是信越、LG化學(xué)他們研發(fā)出來(lái)18英寸圓晶片，也于事無(wú)補(bǔ)。

　　中子星材料公司的方晶片全面領(lǐng)先圓晶片，是勢(shì)不可擋的大勢(shì)，他們的垂死掙扎不過(guò)是螳臂當(dāng)車(chē)罷了。

　　現(xiàn)在黃豪杰正在銀河科技的半導(dǎo)體研究所之中。

　　銀河科技自己招聘的一百多個(gè)半導(dǎo)體專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生，加上五個(gè)從國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)挖過(guò)來(lái)的工程師或者研究員，加上張汝京帶過(guò)來(lái)十幾個(gè)工程師和研究員。

　　盡管銀河科技的半導(dǎo)體研究所，現(xiàn)在只有一百多人，但是麻雀雖小，五臟俱全。

　　黃豪杰看著有條不紊的半導(dǎo)體研究所滿(mǎn)意的點(diǎn)了點(diǎn)頭。

　　“李想，你們對(duì)于C31搬運(yùn)其他的芯片物質(zhì)的機(jī)制，研究得怎么樣?”

　　李想提了提眼鏡略帶興奮的回道：“這個(gè)C31富勒烯可以搬運(yùn)制作芯片的絕大部分原材料，其他一小部分就算是不能搬運(yùn)，我們也可以采用可以搬運(yùn)的原材料進(jìn)行替代?！?p>　　“非常好?！?p>　　“老板，我覺(jué)得你的這個(gè)發(fā)明可以獲得炸藥獎(jiǎng)?！币粋€(gè)地中海研究員贊嘆不已。

　　“炸藥獎(jiǎng)又如何?我不需要這種東西。”黃豪杰不是真正的科班出身，對(duì)于炸藥獎(jiǎng)這種東西并沒(méi)有太在意。

　　……一眾研究員和工程師頓時(shí)無(wú)語(yǔ)凝噎，別人擠破腦袋都想獲得炸藥獎(jiǎng)，自己老板倒好，一點(diǎn)都不在乎。

　　黃豪杰和一眾工程師，正在研發(fā)一種有別于目前的芯片工藝的芯片制作工藝。

　　一般來(lái)說(shuō)，芯片制造廠(chǎng)的制作芯片，都是直接從硅片廠(chǎng)購(gòu)買(mǎi)硅片的，而不會(huì)自己生產(chǎn)。

　　芯片制造廠(chǎng)先會(huì)檢查硅片，經(jīng)過(guò)檢查無(wú)破損后即可投入生產(chǎn)線(xiàn)上，前期可能還有各種成膜工藝，然后就進(jìn)入到涂抹光刻膠環(huán)節(jié)。

　　微影光刻工藝是一種圖形影印技術(shù)，也是集成電路制造工藝中一項(xiàng)關(guān)鍵工藝。

　　首先將光刻膠(感光性樹(shù)脂)滴在硅晶圓片上，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)均勻涂抹成光刻膠薄膜，并施加以適當(dāng)?shù)臏囟裙袒饪棠z薄膜。

　　光刻膠是一種對(duì)光線(xiàn)、溫度、濕度十分敏感的材料，可以在光照后發(fā)生化學(xué)性質(zhì)的改變，這是整個(gè)工藝的基礎(chǔ)。

　　接下來(lái)就是紫外線(xiàn)曝光。

　　就單項(xiàng)技術(shù)工藝來(lái)說(shuō)，光刻工藝環(huán)節(jié)是最為復(fù)雜的，成本最為高昂的。

　　因?yàn)楣饪棠０?、透鏡、光源共同決定了“印”在光刻膠上晶體管的尺寸大小。

　　將涂好光刻膠的硅片放入步進(jìn)重復(fù)曝光機(jī)的曝光裝置中進(jìn)行掩模圖形的“復(fù)制”。

　　掩模中有預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路圖案，紫外線(xiàn)透過(guò)掩模經(jīng)過(guò)特制透鏡折射后，在光刻膠層上形成掩模中的電路圖案。

　　一般來(lái)說(shuō)，在硅片上得到的電路圖案是掩模上的圖案1/10、1/5、1/4，因此步進(jìn)重復(fù)曝光機(jī)也稱(chēng)為“縮小投影曝光裝置”。

　　而決定步進(jìn)重復(fù)曝光機(jī)性能有兩大要素：一個(gè)是光的波長(zhǎng)，另一個(gè)是透鏡的數(shù)值孔徑。

　　如果想要縮小硅片上的晶體管尺寸，就需要尋找能合理使用的波長(zhǎng)更短的光(EUV，極紫外線(xiàn))和數(shù)值孔徑更大的透鏡(受透鏡材質(zhì)影響，有極限值)。

　　溶解部分光刻膠，對(duì)曝光后的硅片進(jìn)行顯影處理。

　　以正光刻膠為例，噴射強(qiáng)堿性顯影液后，經(jīng)紫外光照射的光刻膠會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在堿溶液作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溶解于顯影液中，而未被照射到的光刻膠圖形則會(huì)完整保留。

　　顯影完畢后，要對(duì)硅片表面的進(jìn)行沖洗，送入烘箱進(jìn)行熱處理，蒸發(fā)水分以及固化光刻膠。

　　然后進(jìn)入蝕刻階段。

　　將硅片浸入內(nèi)含蝕刻藥劑的特制刻蝕槽內(nèi)，可以溶解掉暴露出來(lái)的硅片部分，而剩下的光刻膠保護(hù)著不需要蝕刻的部分。

　　期間施加超聲振動(dòng)，加速去除硅片表面附著的雜質(zhì)，防止刻蝕產(chǎn)物在硅片表面停留造成刻蝕不均勻。

　　下一步是清除光刻膠。

　　通過(guò)氧等離子體對(duì)光刻膠進(jìn)行灰化處理，去除所有光刻膠。

　　此時(shí)就可以完成第一層設(shè)計(jì)好的電路圖案。

　　重復(fù)第6-8步，由于現(xiàn)在的晶體管已經(jīng)3D FinFET設(shè)計(jì)，不可能一次性就能制作出所需的圖形，需要重復(fù)第6-8步進(jìn)行處理，中間還會(huì)有各種成膜工藝(絕緣膜、金屬膜)參與到其中，以獲得最終的3D晶體管。

　　接下來(lái)是離子注入階段。

　　在特定的區(qū)域，有意識(shí)地導(dǎo)入特定雜質(zhì)的過(guò)程稱(chēng)為“雜質(zhì)擴(kuò)散”。

　　通過(guò)雜質(zhì)擴(kuò)散可以控制導(dǎo)電類(lèi)型(P結(jié)、N結(jié))之外，還可以用來(lái)控制雜質(zhì)濃度以及分布。

　　現(xiàn)在一般采用離子注入法進(jìn)行雜質(zhì)擴(kuò)散，在離子注入機(jī)中，將需要摻雜的導(dǎo)電性雜質(zhì)導(dǎo)入電弧室，通過(guò)放電使其離子化，經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速后，將數(shù)十到數(shù)千keV能量的離子束由硅片表面注入。

　　離子注入完畢后的硅片還需要經(jīng)過(guò)熱處理，一方面利用熱擴(kuò)散原理進(jìn)一步將雜質(zhì)“壓入”硅中，另一方面恢復(fù)晶格完整性，活化雜質(zhì)電氣特性。

　　離子注入法具有加工溫度低，可均勻、大面積注入雜質(zhì)，易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因此成為超大規(guī)模集成電路中不可缺少的工藝。

　　再次清除光刻膠。完成離子注入后，可以清除掉選擇性摻雜殘留下來(lái)的光刻膠掩模。

　　此時(shí)，單晶硅內(nèi)部一小部分硅原子已經(jīng)被替換成“雜質(zhì)”元素，從而產(chǎn)生可自由電子或空穴。

　　絕緣層處理，此時(shí)晶體管雛形已經(jīng)基本完成，利用氣相沉積法，在硅晶圓表面全面地沉積一層氧化硅膜，形成絕緣層。

　　同樣利用光刻掩模技術(shù)在層間絕緣膜上開(kāi)孔，以便引出導(dǎo)體電極。

　　沉淀銅層，利用濺射沉積法，在硅片整個(gè)表面上沉積布線(xiàn)用的銅層，繼續(xù)使用光刻掩模技術(shù)對(duì)銅層進(jìn)行雕刻，形成場(chǎng)效應(yīng)管的源極、漏極、柵極。

　　最后在整個(gè)硅片表面沉積一層絕緣層以保護(hù)晶體管。

　　構(gòu)建晶體管之間連接電路。

　　經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的工藝，數(shù)以十億計(jì)的晶體管已經(jīng)制作完成。

　　剩下的就是如何將這些晶體管連接起來(lái)的問(wèn)題了。

　　同樣是先形成一層銅層，然后光刻掩模、蝕刻開(kāi)孔等精細(xì)操作，再沉積下一層銅層。

　　這樣的工序反復(fù)進(jìn)行多次，這要視乎芯片的晶體管規(guī)模、復(fù)制程度而定。

　　最終形成極其復(fù)雜的多層連接電路網(wǎng)絡(luò)。

　　由于現(xiàn)在IC包含各種精細(xì)化的元件以及龐大的互聯(lián)電路，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，實(shí)際電路層數(shù)已經(jīng)高達(dá)30層，表面各種凹凸不平越來(lái)越多，高低差異很大，因此開(kāi)發(fā)出CMP化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)。

　　每完成一層電路就進(jìn)行CMP磨平。

　　另外為了順利完成多層Cu立體化布線(xiàn)，開(kāi)發(fā)出大馬士革法新的布線(xiàn)方式，鍍上阻擋金屬層后，整體濺鍍Cu膜，再利用CMP將布線(xiàn)之外的Cu和阻擋金屬層去除干凈，形成所需布線(xiàn)。

　　芯片電路到此已經(jīng)基本完成，其中經(jīng)歷幾百道不同工藝加工，而且全部都是基于精細(xì)化操作，任何一個(gè)地方出錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致整片硅片報(bào)廢，在100多平方毫米的硅片上制造出數(shù)十億個(gè)晶體管，是人類(lèi)有文明以來(lái)的所有智慧的結(jié)晶。

　　而弄得這么復(fù)雜，幾百道工序下來(lái)，不過(guò)是為了在硅片上面，雕刻紋路，注入導(dǎo)電雜質(zhì)，形成開(kāi)關(guān)。