在半导体的奇妙世界里,有一个如同“官封弼马温”般从平凡走向非凡的过程,那便是晶圆一步步变身为芯片的传奇之旅。
最初,晶圆就像是初入天庭被封弼马温的孙悟空,看似平凡无奇,实则蕴含着巨大的潜力。它由高纯度的硅精心制备而成,经过切割、抛光等精细加工,成为了薄圆片,这便是芯片制造的基础——硅晶圆。此时的晶圆,就像初上天庭的孙悟空,懵懵懂懂,却即将开启一段充满挑战与惊喜的征程。
在晶圆制造的漫长历程中,每一次进化都离不开关键设备的支撑,这些设备的研发与迭代,成为推动半导体产业发展的核心动力。
光刻,是这场征程中极为关键的一步,如同孙悟空在天庭开始展现自己的能力。在光刻过程中,先在晶圆表面涂覆一层光刻胶,这光刻胶就像是孙悟空的“金箍棒”,有着特殊的作用。接着,使用光刻机将掩模上的电路图案转印到光刻胶上。掩模如同天庭的“指令”,承载着芯片设计的关键信息。曝光后处理光刻胶,使其形成固态图案,就像是孙悟空按照天庭的规则开始塑造自己的“形象”,在晶圆上初步刻画出芯片的电路轮廓 。
它无疑是晶圆制造中最为关键的环节,其精度直接决定了芯片的性能与集成度。目前,全球高端光刻机市场几乎被荷兰ASML垄断,其生产的EUV极紫外光刻机是制造7nm以下制程芯片的必备设备,最新的High-NA EUV光刻机(0.55数值孔径,2nm制程)更是代表了行业的顶尖水平,台积电、三星、英特尔等芯片巨头对其EUV设备依赖度高达100% 。
在DUV深紫外光刻机领域,日本尼康凭借ArF浸没式DUV光刻机(7 - 28nm制程)占据一定市场份额,其独家的液浸局部加热技术可将套刻精度提升30%,且价格相比ASML低40% 。日本佳能则在纳米压印光刻(NIL)技术上取得突破(5nm实验室验证),主导KrF/ArF干式光刻机,设备体积仅为ASML的1/3,维护成本低50%,在光伏和传感器领域备受青睐 。国产的上海微电子,其SSA600系列DUV光刻机(28nm制程验证)配备自主双工件台系统(精度±1.5nm),成为国产替代的主力军,已被中芯国际、长江存储等企业采购,价格仅为ASML同级别产品的20% 。
刻蚀环节紧随其后,它如同孙悟空在天庭的“磨练”。刻蚀主要通过化学或等离子体刻蚀技术,去除没有曝光的光刻胶覆盖的区域,从而精准地形成电路图案。这一步需要极高的精度,就像孙悟空在天庭小心翼翼地行事,稍有差错便可能前功尽弃。通过刻蚀,晶圆上的图案更加清晰、准确,向着芯片的方向又迈进了一大步。
它负责将光刻图案精确地转移到晶圆上。中微半导体设备(上海)股份有限公司是国内刻蚀设备的龙头企业,其主营的等离子体刻蚀设备全面覆盖半导体刻蚀应用,是除光刻机以外最关键的微观加工设备 。在全球市场,应用材料(Applied Materials)、泛林集团(Lam Research)等国际巨头凭借深厚的技术积累和广泛的产品线,占据着重要地位。应用材料的刻蚀设备在先进制程和特殊工艺应用上表现出色;泛林集团则以其创新性的刻蚀技术和高产能设备,满足了大规模芯片生产的需求。
离子注入是赋予晶圆“特殊能力”的重要阶段。这时候,将掺杂物如磷或硼,通过离子注入技术引入硅晶圆中,以改变其电导率,构成n型或p型半导体材料。就如同孙悟空在天庭获得了特殊的法宝或技能,晶圆从此拥有了独特的电学性能,为后续构建复杂的电路奠定了基础。
来源:厦门毅睿科技有限公司——芯片离子注入设备
在芯片制造过程中,离子注入是仅次于光刻工艺的重要环节,其注入效果决定了芯片内部结构器件最基本、最核心的电学性能 ,而离子注入机则是实现这一工艺的关键设备。目前,全球知名的离子注入设备生产厂家有美国的AMAT、AXCELIS,日本的爱发科,法国的IBS 。其中,AMAT的机台种类较为齐全,涵盖高电流离子注入机、中电流离子注入机、高能量离子注入机、等离子掺杂离子注入机等。
在国产离子注入机领域,也有不少优秀企业崭露头角。比如上海凯世通半导体股份有限公司,作为上市公司万业企业旗下企业,凯世通成功研发并量产了国内领先的系列集成电路离子注入机产品,2020年至今已斩获国内主流晶圆厂客户离子注入机批量采购订单近60台。其研发生产的低能大束流离子注入机产品对标国际先进机型,率先实现了国产化突破,部分指标已达到国际先进水平 。
此外,济南市艾恩半导体科技有限公司专注于芯片制造核心设备——离子注入机的研发、制造,其自主研发制造的第一代碳化硅离子注入机已经推向市场,正由芯片制造厂商进行验证 ,未来还将推出多款不同类型的离子注入机。
而厦门毅睿科技有限公司,在离子注入设备领域也有自己的布局。该产品不止在芯片制成中应用广泛,同时在新能源领域有着举足轻重的地位。
来源:厦门毅睿科技有限公司——半导体芯片相关设备
厦门毅睿科技有限公司正积极投身于半导体设备国产化的进程中,致力于为芯片制造产业提供更多样化的设备选择,有望在未来离子注入设备市场中占据一席之地,为推动国内芯片制造产业发展贡献力量。 随着国内企业在技术研发上的持续投入,未来国产离子注入机有望在全球市场中获得更高的份额 ,助力中国芯片产业走向更广阔的舞台。
氧化过程则是为晶圆打造“保护层”。在硅晶圆表面生长一层氧化硅(SiO2),作为绝缘层和保护层。这层氧化硅就像是孙悟空的“金钟罩”,保护着晶圆在后续的加工过程中不受外界干扰,确保其性能的稳定 。
金属沉积如同为芯片搭建“交通网络”。通过化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)等工艺,在硅晶圆上沉积金属,通常是铝或铜,形成电连接。这些金属线路让芯片内部的各个部分能够相互通信、协同工作,如同天庭中四通八达的道路,让信息和能量能够顺畅流通。
厦门毅睿科技有限公司——桌面型原子层沉积设备(ALD)
它是构建芯片内部电路连接的关键步骤,其中原子层沉积(ALD)和化学气相沉积(CVD)技术应用广泛 。原子层沉积能以原子膜的形式逐层沉积,单次沉积厚度达到纳米级别,薄膜均匀性和阶梯覆盖率极佳,厚度可通过循环次数精准控制。目前,荷兰先进半导体和日本东京电子在ALD设备市场占主导地位,美商泛宁、美商应用材料也有一定份额 。国产的微导纳米、北方华创等企业近年来不断崛起,在ALD设备研发和生产上取得显著进展。化学气相沉积(CVD)
是利用含有薄膜元素的气相化合物或单质,在气态条件下通过化学反应生成固态物质并沉积在加热的固态基体表面 。
厦门毅睿科技有限公司——粉末原子层沉积设备(ALD)
常见的CVD技术包括常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等。应用材料在CVD设备领域技术领先,产品广泛应用于各类芯片制造工艺;中微公司新开发出4款薄膜沉积产品,首台CVD钨设备已付运到关键存储客户端验证评估,并获得客户重复量产订单 。
经过多次重复光刻、刻蚀和金属沉积等步骤,实现多层电路结构,使芯片更加复杂和强大。就像孙悟空在天庭不断历练,本领越来越高强,芯片也在这一系列的工序中逐渐完善,拥有了强大的功能 。
最后,将硅晶圆切割成单个芯片,并进行封装。封装可以使芯片具有耐电压、防尘、防潮等特性,并且便于集成到电子设备中。这就如同孙悟空被赋予了正式的官职和身份,有了自己的“归宿”,能够在各种电子设备中大展身手,发挥其核心作用。
从晶圆到芯片的过程,每一步都充满了挑战和精密的操作,如同孙悟空在天庭的经历一般,从最初的平凡到历经磨难后的辉煌。正是这一系列复杂而精细的工序,让小小的晶圆最终成为了现代科技不可或缺的芯片,为我们的生活带来了翻天覆地的变化。
这章主要是从整体框架给大家介绍下晶圆到芯片的大致过程,后期我们会拆分每个步骤,做详细汇报。
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