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详解半导体器件制作流程


前道工艺和后道工艺

从硅圆片制成一个一个的半导体器件,按大工序可分为前道工艺(Front End Of the Line,FEOL,又称前端工艺)和后道工艺(Back End Of the Line,BEOL,又称后端工艺)。

前道工艺的最终目的是“在硅圆片上制作出IC电路”,其中包括300~400道工序。按其工艺性质可分为下述几大类:形成各种薄膜材料的“成膜工艺”;在薄膜上形成图案并刻蚀,加工成确定形状的 “光刻工艺”;在硅中掺杂微量导电性杂质的 “杂质掺杂工艺”等。

前道工艺与后道工艺的分界线是划片、裂片。后道工艺包括切分硅圆片成芯片,把合格的芯片固定(mount)在引线框架的中央岛上,将芯片上的电极与引线框架上的电极用细金丝键合连接(bonding)。

进一步,为起保护作用,要把芯片封入模压塑封料中,按印标示品名、型号,电镀引线,切分引线框架成一个一个的IC,把引线加工成各种各样的形状。如此做成的芯片要按IC制品规格分类,检测可靠性,出厂前最终检查,作为最初制品到此全部结束。这便是半导体IC器件的全制程。

芯片的诞生分三个步骤,分别是设计、制作和封装,难度依次减弱。现在全球芯片设计基本集中在美国,制作集中在中国台湾地区和韩国,中国大陆大部分承担的是封装工作,也就是把芯片装到板上销售。可以说,在芯片的电路设计这个领域,中国的竞争力远不如美国和韩国。

这些年来,我国通信产业发展迅速,芯片自给率不断提升。华为的麒麟芯片不断追赶世界先进水平,龙芯可以和北斗一起飞上太空,而蓝牙音箱、机顶盒等日用品也在大量使用国产芯片。但也要看到,在大容量、多功能,稳定性和可靠性要求更高的通信、军事等领域,国产芯片还有较大差距。

详解半导体器件制作流程

IC芯片制造工艺流程

只要是电子产品,就离不开芯片。芯片通常分为两种:一种是功能芯片,比如我们常说的中央处理器(CPU),就是带有计算功能的芯片;另一种就是存储芯片,比如计算机里的闪存(FLASH),是一种能储存信息的芯片。

这两种芯片,本质上都要用到载有集成电路的硅圆片。设计难,制作也不简单。我们来看具体过程。首先,需要提取纯硅,就是把二氧化硅(通俗地讲是沙子)还原成工业硅,经提纯、拉制成单晶硅棒,把硅棒切片,就得到了硅圆片——这相当于芯片的地基。就是这个“简单的”步骤,我们做得也不够好,表现为晶圆纯度、内部缺陷、应力、翘曲度等都有差距,从而影响芯片最终的良率。人们都愿意花高价买高质量的硅圆片,从而获得最终芯片的高良率,而不愿意花低价买低质量的硅圆片,因为会导致最终芯片的低良率。我国生产的硅圆片打不开国际市场就是凭证。

有了硅圆片后,就要在上面涂上一层胶,名为“光刻胶”。这是一种感光胶状物,当用紫外线加透镜去照射某一个部位时,胶面会发生变化,显影后形成电路图形,之后利用化学原理进行腐蚀,光照过的部分就会被腐蚀掉,留下凹槽。此时,往凹槽里添加硼、磷等介质,就会出现一个半导体或者电容。依此类推,我们再涂一层胶,再照射,再腐蚀,再掺入……不断重复,像搭房子一样搭出一个复杂的集成电路,也就是芯片的核心部分。

以上是光刻技术的基本原理,实际操作起来要复杂得多,还会涉及波长等问题。光刻最主要的器械就是光刻机,这项技术长期被荷兰、日本、德国垄断,一台机器要花七八亿元人民币,而且他们只优先提供给中国台湾、韩国等地的大客户。中国大陆也有自己的光刻机,但是与世界先进水平相比,差距还很大。

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