第九十四章 芯片工艺

    对于信越、LG化学的垂死挣扎，黄豪杰没有在意。

    因为对于银河科技而言，硅片的面积已经失去了意义。

    如果需要，中子星公司随时生产大面积的方晶片，所以就算是信越、LG化学他们研发出来18英寸圆晶片，也于事无补。

    中子星材料公司的方晶片全面领先圆晶片，是势不可挡的大势，他们的垂死挣扎不过是螳臂当车罢了。

    现在黄豪杰正在银河科技的半导体研究所之中。

    银河科技自己招聘的一百多个半导体专业的毕业生，加上五个从国内半导体企业挖过来的工程师或者研究员，加上张汝京带过来十几个工程师和研究员。

    尽管银河科技的半导体研究所，现在只有一百多人，但是麻雀虽小，五脏俱全。

    黄豪杰看着有条不紊的半导体研究所满意的点了点头。

    “李想，你们对于C31搬运其他的芯片物质的机制，研究得怎么样?”

    李想提了提眼镜略带兴奋的回道：“这个C31富勒烯可以搬运制作芯片的绝大部分原材料，其他一小部分就算是不能搬运，我们也可以采用可以搬运的原材料进行替代。”

    “非常好。”

    “老板，我觉得你的这个发明可以获得炸药奖。”一个地中海研究员赞叹不已。

    “炸药奖又如何?我不需要这种东西。”黄豪杰不是真正的科班出身，对于炸药奖这种东西并没有太在意。

    ……一众研究员和工程师顿时无语凝噎，别人挤破脑袋都想获得炸药奖，自己老板倒好，一点都不在乎。

    黄豪杰和一众工程师，正在研发一种有别于目前的芯片工艺的芯片制作工艺。

    一般来说，芯片制造厂的制作芯片，都是直接从硅片厂购买硅片的，而不会自己生产。

    芯片制造厂先会检查硅片，经过检查无破损后即可投入生产线上，前期可能还有各种成膜工艺，然后就进入到涂抹光刻胶环节。

    微影光刻工艺是一种图形影印技术，也是集成电路制造工艺中一项关键工艺。

    首先将光刻胶(感光性树脂)滴在硅晶圆片上，通过高速旋转均匀涂抹成光刻胶薄膜，并施加以适当的温度固化光刻胶薄膜。

    光刻胶是一种对光线、温度、湿度十分敏感的材料，可以在光照后发生化学性质的改变，这是整个工艺的基础。

    接下来就是紫外线曝光。

    就单项技术工艺来说，光刻工艺环节是最为复杂的，成本最为高昂的。

    因为光刻模板、透镜、光源共同决定了“印”在光刻胶上晶体管的尺寸大小。

    将涂好光刻胶的硅片放入步进重复曝光机的曝光装置中进行掩模图形的“复制”。

    掩模中有预先设计好的电路图案，紫外线透过掩模经过特制透镜折射后，在光刻胶层上形成掩模中的电路图案。

    一般来说，在硅片上得到的电路图案是掩模上的图案1/10、1/5、1/4，因此步进重复曝光机也称为“缩小投影曝光装置”。

    而决定步进重复曝光机性能有两大要素：一个是光的波长，另一个是透镜的数值孔径。

    如果想要缩小硅片上的晶体管尺寸，就需要寻找能合理使用的波长更短的光(EUV，极紫外线)和数值孔径更大的透镜(受透镜材质影响，有极限值)。

    溶解部分光刻胶，对曝光后的硅片进行显影处理。

    以正光刻胶为例，喷射强碱性显影液后，经紫外光照射的光刻胶会发生化学反应，在碱溶液作用下发生化学反应，溶解于显影液中，而未被照射到的光刻胶图形则会完整保留。

    显影完毕后，要对硅片表面的进行冲洗，送入烘箱进行热处理，蒸发水分以及固化光刻胶。

    然后进入蚀刻阶段。

    将硅片浸入内含蚀刻药剂的特制刻蚀槽内，可以溶解掉暴露出来的硅片部分，而剩下的光刻胶保护着不需要蚀刻的部分。

    期间施加超声振动，加速去除硅片表面附着的杂质，防止刻蚀产物在硅片表面停留造成刻蚀不均匀。

    下一步是清除光刻胶。

    通过氧等离子体对光刻胶进行灰化处理，去除所有光刻胶。

    此时就可以完成第一层设计好的电路图案。

    重复第6-8步，由于现在的晶体管已经3D FinFET设计，不可能一次性就能制作出所需的图形，需要重复第6-8步进行处理，中间还会有各种成膜工艺(绝缘膜、金属膜)参与到其中，以获得最终的3D晶体管。

    接下来是离子注入阶段。

    在特定的区域，有意识地导入特定杂质的过程称为“杂质扩散”。

    通过杂质扩散可以控制导电类型(P结、N结)之外，还可以用来控制杂质浓度以及分布。

    现在一般采用离子注入法进行杂质扩散，在离子注入机中，将需要掺杂的导电性杂质导入电弧室，通过放电使其离子化，经过电场加速后，将数十到数千keV能量的离子束由硅片表面注入。

    离子注入完毕后的硅片还需要经过热处理，一方面利用热扩散原理进一步将杂质“压入”硅中，另一方面恢复晶格完整性，活化杂质电气特性。

    离子注入法具有加工温度低，可均匀、大面积注入杂质，易于控制等优点，因此成为超大规模集成电路中不可缺少的工艺。

    再次清除光刻胶。完成离子注入后，可以清除掉选择性掺杂残留下来的光刻胶掩模。

    此时，单晶硅内部一小部分硅原子已经被替换成“杂质”元素，从而产生可自由电子或空穴。

    绝缘层处理，此时晶体管雏形已经基本完成，利用气相沉积法，在硅晶圆表面全面地沉积一层氧化硅膜，形成绝缘层。

    同样利用光刻掩模技术在层间绝缘膜上开孔，以便引出导体电极。

    沉淀铜层，利用溅射沉积法，在硅片整个表面上沉积布线用的铜层，继续使用光刻掩模技术对铜层进行雕刻，形成场效应管的源极、漏极、栅极。

    最后在整个硅片表面沉积一层绝缘层以保护晶体管。

    构建晶体管之间连接电路。

    经过漫长的工艺，数以十亿计的晶体管已经制作完成。

    剩下的就是如何将这些晶体管连接起来的问题了。

    同样是先形成一层铜层，然后光刻掩模、蚀刻开孔等精细操作，再沉积下一层铜层。

    这样的工序反复进行多次，这要视乎芯片的晶体管规模、复制程度而定。

    最终形成极其复杂的多层连接电路网络。

    由于现在IC包含各种精细化的元件以及庞大的互联电路，结构非常复杂，实际电路层数已经高达30层，表面各种凹凸不平越来越多，高低差异很大，因此开发出CMP化学机械抛光技术。

    每完成一层电路就进行CMP磨平。

    另外为了顺利完成多层Cu立体化布线，开发出大马士革法新的布线方式，镀上阻挡金属层后，整体溅镀Cu膜，再利用CMP将布线之外的Cu和阻挡金属层去除干净，形成所需布线。

    芯片电路到此已经基本完成，其中经历几百道不同工艺加工，而且全部都是基于精细化操作，任何一个地方出错都会导致整片硅片报废，在100多平方毫米的硅片上制造出数十亿个晶体管，是人类有文明以来的所有智慧的结晶。

    而弄得这么复杂，几百道工序下来，不过是为了在硅片上面，雕刻纹路，注入导电杂质，形成开关。
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