芯片生產(chǎn)全過程-從沙子到封裝課件

芯片生產(chǎn)全過程-從沙子到封裝課件1芯片生產(chǎn)全過程-從沙子到封裝課件2摩爾定律（18個月翻一番）驗證摩爾定律（18個月翻一番）驗證3晶圓圖片晶圓圖片4晶圓圖片晶圓圖片5AMDROADMAP2019AMDROADMAP20196我國2019芯片產(chǎn)業(yè)我國2019芯片產(chǎn)業(yè)7從沙子到芯片-1沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，這也是半導體制造產(chǎn)業(yè)的基礎。從沙子到芯片-1沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的沙8從沙子到芯片-2硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級，下同。通過多步凈化得到可用于半導體制造質(zhì)量的硅，學名電子級硅(EGS)，平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質(zhì)原子。此圖展示了是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠(Ingot)。從沙子到芯片-2硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級，下同。通9從沙子到芯片-3單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度99.9999％。從沙子到芯片-3單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，10從沙子到芯片-3硅錠切割：橫向切割成圓形的單個硅片，也就是我們常說的晶圓(Wafer)。順便說，這下知道為什么晶圓都是圓形的了吧？。從沙子到芯片-3硅錠切割：橫向切割成圓形的單個硅片，也就是我11從沙子到芯片-3晶圓：切割出的晶圓經(jīng)過拋光后變得幾乎完美無瑕，表面甚至可以當鏡子。事實上，Intel自己并不生產(chǎn)這種晶圓，而是從第三方半導體企業(yè)那里直接購買成品，然后利用自己的生產(chǎn)線進一步加工，比如現(xiàn)在主流的45nmHKMG(高K金屬柵極)。值得一提的是，Intel公司創(chuàng)立之初使用的晶圓尺寸只有2英寸/50毫米。從沙子到芯片-3晶圓：切割出的晶圓經(jīng)過拋光后變得幾乎完美無瑕12從沙子到芯片-3光刻膠(PhotoResist)：圖中藍色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)過程中澆上去的光刻膠液體，類似制作傳統(tǒng)膠片的那種。晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。從沙子到芯片-3光刻膠(PhotoResist)：圖中藍色13從沙子到芯片-3光刻：光刻膠層隨后透過掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下，變得可溶，期間發(fā)生的化學反應類似按下機械相機快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預先設計好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會形成微處理器的每一層電路圖案。一般來說，在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。從沙子到芯片-3光刻：光刻膠層隨后透過掩模(Mask)被曝光14從沙子到芯片-3光刻：由此進入50-200納米尺寸的晶體管級別。一塊晶圓上可以切割出數(shù)百個處理器，不過從這里開始把視野縮小到其中一個上，展示如何制作晶體管等部件。晶體管相當于開關，控制著電流的方向?，F(xiàn)在的晶體管已經(jīng)如此之小，一個針頭上就能放下大約3000萬個。從沙子到芯片-3光刻：由此進入50-200納米尺寸的晶體管級15從沙子到芯片-3溶解光刻膠：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。從沙子到芯片-3溶解光刻膠：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠16從沙子到芯片-3蝕刻：使用化學物質(zhì)溶解掉暴露出來的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護著不應該蝕刻的部分。從沙子到芯片-3蝕刻：使用化學物質(zhì)溶解掉暴露出來的晶圓部分，17從沙子到芯片-3清除光刻膠：蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設計好的電路圖案。從沙子到芯片-3清除光刻膠：蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成18從沙子到芯片-3光刻膠：再次澆上光刻膠(藍色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注入的那部分材料。從沙子到芯片-3光刻膠：再次澆上光刻膠(藍色部分)，然后光刻19從沙子到芯片-3離子注入(IonImplantation)：在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的、要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域的硅的導電性。經(jīng)過電場加速后，注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時

從沙子到芯片-3離子注入(IonImplantation)20從沙子到芯片-3清除光刻膠：離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入?yún)^(qū)域(綠色部分)也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時候的綠色和之前已經(jīng)有所不同。從沙子到芯片-3清除光刻膠：離子注入完成后，光刻膠也被清除，21從沙子到芯片-3晶體管就緒：至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。從沙子到芯片-3晶體管就緒：至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣22從沙子到芯片-3電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會從正極(陽極)走向負極(陰極)。從沙子到芯片-3電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到23從沙子到芯片-3銅層：電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個薄薄的銅層。從沙子到芯片-3銅層：電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成24從沙子到芯片-3拋光：將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。從沙子到芯片-3拋光：將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。25從沙子到芯片-3金屬層：晶體管級別，六個晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體管之間形成復合互連金屬層，具體布局取決于相應處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來異常平滑，但事實上可能包含20多層復雜的電路，放大之后可以看到極其復雜的電路網(wǎng)絡，形如未來派的多層高速公路系統(tǒng)。從沙子到芯片-3金屬層：晶體管級別，六個晶體管的組合，大約526從沙子到芯片-3晶圓測試：內(nèi)核級別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測試，使用參考電路圖案和每一塊芯片進行對比。從沙子到芯片-3晶圓測試：內(nèi)核級別，大約10毫米/0.5英寸27從沙子到芯片-3晶圓切片(Slicing)：晶圓級別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是一個處理器的內(nèi)核(Die)。從沙子到芯片-3晶圓切片(Slicing)：晶圓級別，30028從沙子到芯片-3丟棄瑕疵內(nèi)核：晶圓級別。測試過程中發(fā)現(xiàn)的有瑕疵的內(nèi)核被拋棄，留下完好的準備進入下一步。從沙子到芯片-3丟棄瑕疵內(nèi)核：晶圓級別。測試過程中發(fā)現(xiàn)的有瑕29從沙子到芯片-3單個內(nèi)核：內(nèi)核級別。從晶圓上切割下來的單個內(nèi)核，這里展示的是Corei7的核心。從沙子到芯片-3單個內(nèi)核：內(nèi)核級別。從晶圓上切割下來的單個內(nèi)30從沙子到芯片-3封裝：封裝級別，20毫米/1英寸。襯底(基片)、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底(綠色)相當于一個底座，并為處理器內(nèi)核提供電氣與機械界面，便于與PC系統(tǒng)的其它部分交互。散熱片(銀色)就是負責內(nèi)核散熱的了。從沙子到芯片-3封裝：封裝級別，20毫米/1英寸。襯底(基片31從沙子到芯片-3處理器：至此就得到完整的處理器了(這里是一顆Corei7)。這種在世界上最干凈的房間里制造出來的最復雜的產(chǎn)品實際上是經(jīng)過數(shù)百個步驟得來的，這里只是展示了其中的一些關鍵步驟。從沙子到芯片-3處理器：至此就得到完整的處理器了(這里是一顆32從沙子到芯片-3等級測試：最后一次測試，可以鑒別出每一顆處理器的關鍵特性，比如最高頻率、功耗、發(fā)熱量等，并決定處理器的等級，比如適合做成最高端的Corei7-975Extreme，還是低端型號Corei7-920。從沙子到芯片-3等級測試：最后一次測試，可以鑒別出每一顆處理33從沙子到芯片-3裝箱：根據(jù)等級測試結果將同樣級別的處理器放在一起裝運。從沙子到芯片-3裝箱：根據(jù)等級測試結果將同樣級別的處理器放在34從沙子到芯片-3零售包裝：制造、測試完畢的處理器要么批量交付給OEM廠商，要么放在包裝盒里進入零售市場。這里還是以Corei7為例。從沙子到芯片-3零售包裝：制造、測試完畢的處理器要么批量交付35晶圓的生產(chǎn)工藝流程：從大的方面來講，晶圓生產(chǎn)包括晶棒制造和晶片制造兩大步驟，它又可細分為以下幾道主要工序（其中晶棒制造只包括下面的第一道工序，其余的全部屬晶片制造，所以有時又統(tǒng)稱它們?yōu)榫е衅筇幚砉ば颍壕О舫砷L--晶棒裁切與檢測--外徑研磨--切片--圓邊--表層研磨--蝕刻--去疵--拋光--清洗--檢驗--包裝1、晶棒成長工序：它又可細分為：1）、融化（MeltDown）：將塊狀的高純度復晶硅置于石英坩鍋內(nèi)，加熱到其熔點1420°C以上，使其完全融化。2）、頸部成長（NeckGrowth）：待硅融漿的溫度穩(wěn)定之后，將〈1.0.0〉方向的晶種慢慢插入其中，接著將晶種慢慢往上提升，使其直徑縮小到一定尺寸（一般約6mm左右），維持此直徑并拉長100-200mm，以消除晶種內(nèi)的晶粒排列取向差異。3）、晶冠成長（CrownGrowth）：頸部成長完成后，慢慢降低提升速度和溫度，使頸部直徑逐漸加大到所需尺寸（如5、6、8、12吋等）。4）、晶體成長（BodyGrowth）：不斷調(diào)整提升速度和融煉溫度，維持固定的晶棒直徑，只到晶棒長度達到預定值。5）、尾部成長（TailGrowth）：當晶棒長度達到預定值后再逐漸加快提升速度并提高融煉溫度，使晶棒直徑逐漸變小，以避免因熱應力造成排差和滑移等現(xiàn)象產(chǎn)生，最終使晶棒與液面完全分離。到此即得到一根完整的晶棒。2、晶棒裁切與檢測（Cutting&Inspection）：將長成的晶棒去掉直徑偏小的頭、尾部分，并對尺寸進行檢測，以決定下步加工的工藝參數(shù)。3、外徑研磨（SurfaceGrinding&Shaping）：由于在晶棒成長過程中，其外徑尺寸和圓度均有一定偏差，其外園柱面也凹凸不平，所以必須對外徑進行修整、研磨，使其尺寸、形狀誤差均小于允許偏差。4、切片（WireSawSlicing）：由于硅的硬度非常大，所以在本工序里，采用環(huán)狀、其內(nèi)徑邊緣鑲嵌有鉆石顆粒的薄片鋸片將晶棒切割成一片片薄片。5、圓邊（EdgeProfiling）：由于剛切下來的晶片外邊緣很鋒利，硅單晶又是脆性材料，為避免邊角崩裂影響晶片強度、破壞晶片表面光潔和對后工序帶來污染顆粒，必須用專用的電腦控制設備自動修整晶片邊緣形狀和外徑尺寸。6、研磨（Lapping）：研磨的目的在于去掉切割時在晶片表面產(chǎn)生的鋸痕和破損，使晶片表面達到所要求的光潔度。7、蝕刻（Etching）：以化學蝕刻的方法，去掉經(jīng)上幾道工序加工后在晶片表面因加工應力而產(chǎn)生的一層損傷層。8、去疵（Gettering）：用噴砂法將晶片上的瑕疵與缺陷感到下半層，以利于后序加工。9、拋光（Polishing）：對晶片的邊緣和表面進行拋光處理，一來進一步去掉附著在晶片上的微粒，二來獲得極佳的表面平整度，以利于后面所要講到的晶圓處理工序加工。10、清