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半导体科普:IC芯片的制造,层层打造的高科技工艺

人生能绕几个圈
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发布于 2015/08/04 21:05
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在介绍过矽晶圆是什么东西后,同时,也知道制造 IC 芯片就像是用乐高积木盖房子一样,藉由一层又一层的堆叠,创造自己所期望的造型。然而,盖房子有相当多的步骤,IC 制造也是一样,制造 IC 究竟有哪些步骤?本文将将就 IC 芯片制造的流程做介绍。

层层堆叠的芯片架构

在开始前,我们要先认识 IC 芯片是什么。IC,全名集成电路(Integrated Circuit),由它的命名可知它是将设计好的电路,以堆叠的方式组合起来。藉由这个方法,我们可以减少连接电路时所需耗费的面积。下图为 IC 电路的 3D 图,从图中可以看出它的结构就像房子的梁和柱,一层一层堆叠,这也就是为何会将 IC 制造比拟成盖房子。

IC 3D

▲ IC 芯片的 3D 剖面图。(Source:Wikipedia

从上图中 IC 芯片的 3D 剖面图来看,底部深蓝色的部分就是上一篇介绍的晶圆,从这张图可以更明确的知道,晶圆基板在芯片中扮演的角色是何等重要。至于红色以及土黄色的部分,则是于 IC 制作时要完成的地方。

首先,在这里可以将红色的部分比拟成高楼中的一楼大厅。一楼大厅,是一栋房子的门户,出入都由这里,在掌握交通下通常会有较多的机能性。因此,和其 他楼层相比,在兴建时会比较复杂,需要较多的步骤。在 IC 电路中,这个大厅就是逻辑闸层,它是整颗 IC 中最重要的部分,藉由将多种逻辑闸组合在一起,完成功能齐全的 IC 芯片。

黄色的部分,则像是一般的楼层。和一楼相比,不会有太复杂的构造,而且每层楼在兴建时也不会有太多变化。这一层的目的,是将红色部分的逻辑闸相连在 一起。之所以需要这么多层,是因为有太多线路要链接在一起,在单层无法容纳所有的线路下,就要多叠几层来达成这个目标了。在这之中,不同层的线路会上下相 连以满足接线的需求。

分层施工,逐层架构

知道 IC 的构造后,接下来要介绍该如何制作。试想一下,如果要以油漆喷罐做精细作图时,我们需先割出图形的遮盖板,盖在纸上。接着再将油漆均匀地喷在纸上,待油漆 干后,再将遮板拿开。不断的重复这个步骤后,便可完成整齐且复杂的图形。制造 IC 就是以类似的方式,藉由遮盖的方式一层一层的堆叠起来。

IC

制作 IC 时,可以简单分成以上 4 种步骤。虽然实际制造时,制造的步骤会有差异,使用的材料也有所不同,但是大体上皆采用类似的原理。这个流程和油漆作画有些许不同,IC 制造是先涂料再加做遮盖,油漆作画则是先遮盖再作画。以下将介绍各流程。

  1. 金属溅镀:将欲使用的金属材料均匀洒在晶圆片上,形成一薄膜。
  2. 制造光阻:先将光阻材料放在晶圆片上,透过光罩(光罩原理留待下次说明),将电子束打在不要的部分上,破坏光阻材料结构。接着,再以化学药剂将被破坏的材料洗去。
  3. 蚀刻技术:将没有受光阻保护的金属,以蚀刻液洗去。蚀刻液通常是具有高腐蚀性的强酸。
  4. 光阻去除:使用去光阻液皆剩下的光阻溶解掉,如此便完成一次流程。

最后便会在一整片晶圆上完成很多 IC 芯片,接下来只要将完成的方形 IC 芯片剪下,便可送到封装厂做封装,至于封装厂是什么东西?就要待之后再做说明啰。

Wafer

▲ 各种尺寸晶圆的比较。(Source:Wikipedia

最后,附上一段 Intel 的简易 IC 制造流程,看完这部影片应该会对 IC 制造的流程更有感觉喔。

https://www.youtube.com/embed/JDROPMoNZpk

(Source:YouTube

(首图来源:Flickr/Rob Bulmahn CC BY 2.0)

本文转载自:http://technews.cn/2015/07/25/ic-wafer/

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