【機械設計】（全540集）這絕對是講的最全的機械設計教程，帶你從零基礎到獨立設計整機設備！包含：加工工藝、公差配合、熱處理、材料、電機、氣動、電磁閥、半導體 P16 - 半導體

關於半導體也就是我們理解的芯片 它的製造工藝流程的話 其實總共是分爲三部分 第一部分的話是單晶硅片的製造 那麼單晶硅片製造的話 它是屬於前段工藝 這裏是屬於前段工藝 那麼第二部分的話是IC製造 也就是晶圓製造 這裏是屬於中段工藝 那麼大家知道我國卡脖子的工藝 的話 是其實是屬於中段工藝的 第三部分的話就是IC晶圓它的一個封裝 測試 這裏的話是屬於後段工藝 那麼主要的流程是分爲這三部分的 那麼本節目的話就先帶着大家 一起來看一下 它整個的一個工藝流程 好吧 那麼從規片製造開始的話 首先第一個是拉硅棒 那麼拉硅棒的話 顧名思義 就是拉一根單晶硅的一個棒子 棒子 然後的話 再對這個棒子的話 進行一個研磨 研磨之後的話 再把這個棒子 把它一片一片的 把它給切出來 就是切片 那麼切片之後的話 那麼對於這每一個片的話 我們都會對它進行導角 那麼導角之後的話 那麼再對每一片的一個硅片的話 都進行研磨 研磨之後的話 再來進行一個檢測 那麼檢測之後的話 那麼就是清洗 那麼至此的話 我們整個的一個單晶硅片的製造 也就是前段工序就完成了 好 那麼後面的話 就是我們的IC晶圓製造了 這部分的話就比較麻煩了 那麼第一部分的話是氧化 那麼在我們硅片表面形成一層二氧化 硅的氧化膜 那麼第二部分的話 就是塗膠 紅鋼了 那麼塗膠的話 其實它塗的就是光刻膠 然後再烘乾 把光刻膠把它給烘乾 那麼再下部分的話就是光刻了 光刻的話 大家也知道 也是我國被卡脖子這個地方 光刻 那麼現在主流的有DUV 有EU光刻 是不是 好 那麼光刻之後就是顯影 顯影就是把我們通過光線 把它刻實的部分的話 把它給去掉 就是顯影 好 那麼下一步的話就是石刻 那麼石刻之後的話 那麼就是去膠了 去膠 那麼去膠的話 其實就是把我們在這裏塗的光刻膠 把它給去掉 是吧 好 那麼去掉之後的話 就是離子注入 那麼這裏注入的是一些磷離子 磷離子 好 再然後就是退火 再就是薄膜成積 薄膜成積 下面的話就是金屬化 其實這也是一步刻實 好 那麼這裏刻實之後的話 就是研磨了 研磨 那麼至此的話 我們整個的一個單個的晶圓 其實就把它給製造好了 製造好了 好 那麼這是我們的中段工藝 完成之後的話 那麼就是我們的後段工藝 後段後段工序的話 其實就比較簡單了 第一個的話 就是我們的晶圓剪薄 就是說我們要把晶圓把它弄薄一點 因爲我們把晶圓 我們是需要把它裝在其他地方的話 所以說它就需要很薄 所以說這裏的話 它就需要晶圓剪薄設備 好 這個晶圓剪薄之後的話 我們就需要畫片了 就是把整個一個圓形的晶片 是一個圓形的單晶硅片上面的 把它畫一些格子 好 那麼畫面之後的話 就是貼片了 貼片 那麼就是把我們一塊塊的芯片 把它貼到我們封裝板上面去 那麼下一步的話 那麼就是引鍵結合了 那麼我們就相當於導線 我們把導線和我們芯片上面的 一些地方把它結合 那麼再後面就是封裝 測試 那麼測試之後的話 我們整個芯片的製造的話 那麼就算是完成了 總共的話是有25個工序 總共的話是有25個主要工序流程 好 那麼這就是我們本期內容 那麼從下一個開始的話 我們就逐步的來探討 來講解每一個工序 它到底是怎麼樣的 本期的話 我們就來看到單晶硅片製造的 供應 那麼首先的話 第一個供應的話 就是我們的拉硅棒 拉硅棒這個供應的話 它需要的設備是半導體 單晶硅棒拉晶設備 那麼這個設備的樣子的話 它大概就長這個樣子 因爲這個設備的話 從原理上來看的話 它是比較簡單的 它就是一個很大的加熱爐 然後再加一個提升機構 那麼我們一起來看一下 它的一個原理講解 我們來看一下 那麼這就是我們的第一個供應拉硅棒 那麼拉硅棒這個供應的話 其實相對來說的話 其實是比較簡單的 因爲它爐子我們用那種 用那種感應線圈的 我們在爐子側邊 給它布一圈線圈 然後再通過線圈通電 然後再加熱我們這個爐子 就可以給我們單晶硅加熱了 是不是 那麼加熱之後的話 再弄一個紙巾進去往外拉 它就自然而然的 就會得到一個純度很高的硅棒 在上一個的話 我們是講的拉硅棒的供應 那麼硅棒拉出來之後的話 其實它對硅棒本身 我們是還需要進行一個滾磨 跟開編的 那麼像這種滾磨的話 就需要這種金棒磨牀 金棒磨牀 那麼金棒磨牀的話 它大概是長這個樣子 對吧 那麼就是把這種 一個剛拉出來的硅棒 把它弄到機牀上面去 對它的一個外表面進行一個研磨 讓它表面光滑一點 光滑一點 好 那麼我們一起來看一下 這個視頻 好 我們來看一下 這就是一個拉硅棒的 這就是一個硅棒研磨的機牀 那麼我們的硅棒的話 先放在這個上面 放在這個上面之後的話 再通過兩邊去夾緊地位 我們來看一下 好 那麼現在的話 硅棒夾扯單元 進入我們加工區 然後上了單元的話 它就逐步的退出來了 是吧 那麼 那麼可以看到這裏的結構 其實它下面的話 是有兩個絲桿 來控制我們夾爪 來夾緊張開的 是吧 這裏的話應該是一個正反絲桿 那麼像我們這種單晶硅棒的話 它一般是要加工一個扁位 或者一個微槽 那麼它加工扁位 或者微槽的目的 其實是用來後面 來去一個定位的 定位 好 那麼至此的話 我們一根硅棒 我們就把它給研磨加工完畢了 對吧 好 那麼硅棒加工完成之後的話 下一步的話 我們就開始切片了 那麼上一個的話 我們是講了硅棒研磨 那麼硅棒研磨之後的話 我們就要對硅棒進行切片了 那麼我們一起來看一下 那麼硅片切片的話 它一般是需要切片設備的 那麼切片設備的話 它一般是利用那種金剛繩來進行切的 那麼我們就一起來看一下 我們切片它是怎樣的 來看一下 第二步 片硅片 咋片呢 你得準備一些鋼絲線 鋼絲線上加上金剛石顆粒 然後把它們拉直了 套到硅棒上 把硅棒放過來 硅棒一滾 硅片就給切成一片一片的了 這個切法大使見了直呼內行 接下來你需要進行打磨 拋光 倒角等一系列工序 然後現在你就得到了一張 增光瓦亮不拿手的硅片 其實切硅片的這個工序的話 是比較簡單的 對吧 它主要是用一個繩子上面加一些 金剛石 然後把它給切開 所以說這個工序的話 其實也難不倒我們國內的一些 廠商也比較簡單 在上一個的話 我們是說了切片 那麼切片的話 它切出來的硅片 它的邊緣部分還是比較鋒利的 對不對 那麼這樣肯定是不好 所以說我們就需要對硅片先進行 一個倒角 那麼倒角的話 它就需要晶圓倒角設備 那麼我們一起來看一下 它這裏是怎麼來倒角 通過什麼原理來倒角的 來看一下 它主要是通過這種輪子來倒角磨邊的 來倒角磨邊 那麼這就是一個倒角的實際運行視頻 我們來看一下 我把聲音打低一點 不然可能有點吵 那麼現在可以看到的話 它現在是已經開始旋轉倒角了 其實這個設備的話 其實對於我們一些電子元件的一些 防護要求還是比較高的 防護要求 因爲它的水比較多 對吧 好 那麼這樣的話 我們這個硅片的話 就給它進行倒角了 在上一個的話 我們是說了 我們硅片需要倒角 對不對 那麼這個倒角的話 我們也只是倒它的邊緣的角 那麼對於我們硅片的話 它的表面還是比較粗糙的 所以說硅片它就需要研磨 對吧 好 那麼研磨的話 一般是需要CMP研磨設備 那麼我們就一起來看一下 它的研磨的原理是怎麼樣的 好吧 我們來看一下 它這裏的話 其實是一個太陽輪 行星輪結構 它中間的話是一個太陽輪 對不對 那麼邊緣四個的話是行星輪 那麼通過太陽輪旋轉的話 從而帶動我們行星輪旋轉 同時的話 它們的旋轉和下面的旋轉 和上面的研磨輪的旋轉方向 是不一樣的 這樣的話才能夠更好的研磨 去除損壞的表面硅 並研磨至預期的晶圓厚度 那麼這就是我們研磨的一個過程 其實研磨這個工序的話 對於我們國產的 對於我們國產的設備來講的話 還是比較簡單的 也比較簡單 在上一個的話 我們是說了研磨了 那麼研磨之後的話 其實對於我們晶圓 就需要檢測了 只不過這個檢測的話 其實它的原理很簡單 它就是利用相機CCD 進行一個AI檢測 對不對 那麼這個原理的話 也是比較簡單的 所以說老師在這裏 我就不多做說明了 好吧 好 那麼檢測之後的話 就需要對我們這個硅片 來進行一個拋光清洗 拋光清洗 其實主要是清洗 清洗設備 那麼清洗的話 其實我們也是有設備來清洗的 而且這個工序的話 其實也不難 也不難 那麼我們來看一下 它的一個視頻 步驟四是拋光和清洗 將切割後的晶片 放入石刻劑中 去除表面雜質 這裏的話 我們主要是把這個硅片 把它放到一些化學溶劑中 它就可以來清洗了 來去除表面的雜質 那麼當然的話 這裏的話 可能還會配上超聲波清洗 因爲這樣的話 才能夠 讓它的清洗的一個程度 更乾淨一點 配上超聲波 然後再就是拋光了 其實拋光和研磨 差不多 爲什麼 拋光的話 它只是說它的一個目數 更大一點 它更細膩一點 其實原理上 和研磨是差不多的 上面所示的是晶圓 下面是拋光墊和研磨液 在化學機械研磨CMP中 爲了獲得超平坦的晶體表面 應當使用超細顆粒 對晶片進行機械和化學拋光 這一步驟完成後 我們就能得到一片 可以使用的晶圓了 那麼至此的話 我們晶圓製造就完成了 是那麼本節目的話 我們就來開始講 IC晶圓製造了 好吧 那麼我們晶圓製造的話 IC製造 其實它的第一步是氧化 那麼氧化的話 就是在硅片表面 生成一層二氧化硅的氧化膜 那麼這的話 它是需要氧化爐的 氧化爐 因爲氧化的話 一般它是需要跟空氣反應 對不對 那麼氧化的話 我們一般是用這種 有立式和握式兩種 兩種 那麼先來給大家來講一下 氧化它的原理 好吧 第三步氧化 單晶硅是很嬌貴的 爲了避免污染 我們需要給它加一層保護膜 這就是氧化 硅氧化以後 得到二氧化硅 它是絕緣體 在芯片製造過程中 可以充當絕緣層 避免漏電 同時還可以作爲摻雜阻擋層 阻擋住不需要的摻雜 這一步比較簡單 正常來說 一塊硅片 你把它放在哪裏 它就會緩慢氧化 在表面形成一層二氧化硅膜 但是如果你着急 可以把它放到 1200度的烤箱中 再通入水蒸氣 氧化速度就會大大加快了 到這一步 你擁有了一塊表面鍍膜的硅片 接下來你再給它塗上一層 一微米左右的光刻膠 然後我們就可以進入 最重要的環節 光刻 那麼這就是我們氧化的原理 其實也是通過高溫 然後再加上我們的水蒸氣 來讓它氧化的過程 大大加快 其實在我們的常溫下 它也會氧化 只不過氧化的速率是很慢的 所以說我們就利用高溫 和水蒸氣 來讓它加快氧化 那麼在上一個的話 我們是講到了氧化 那麼這些的話 我們就來開始塗膠烘乾了 那麼這裏塗膠的話 其實它主要是塗光刻膠 光刻膠 那麼這裏塗膠的話 它主要是在塗膠的過程當中 它需要轉的很快 爲什麼 因爲只有轉的很快的話 它才能夠把膠 把它給分佈均勻 好 那麼我們來看一下 塗膠這個工序的一個視頻 第四步塗膠 光刻機刻的並不是硅片 而是光刻膠 你需要先在硅片上塗一層膠 先看怎麼塗膠的 爲了不影響曝光 光刻膠需要非常均勻 所以現在一般使用 旋轉塗膠的方法 你需要先找一個能旋轉的吸盤 把你的晶圓放上來 然後讓它轉起來 一邊轉 我們一邊把光刻膠 滴到晶圓的中心去 這些滴下來的光刻膠 因爲旋轉的離心力 就被甩出去了 於是在高速的旋轉下 你的光刻膠 就被均勻的塗抹在晶圓表面 對於這個工序的話 其實在我國來講的話 它難的並不是旋轉設備 難的也並不是說塗膠設備 它難的是光刻膠這個東西 當然的話 現在光刻膠的話 我國是已經攻克了 對吧 好 那麼這就是塗膠的一個工藝 那麼在上一個的話 我們是講到了塗膠烘乾 那麼塗膠烘乾之後的話 我們這個硅片的話 它就要進行光刻了 光刻 那麼光刻的話 也是我國被掐脖子的一個工藝 那麼我們來看一下光刻 它到底是什麼樣子的 好吧 那麼我們一起來看一下這個視頻 第五步光刻 接下來進入光刻環節 你需要一臺光刻機 因爲並沒有光刻機 現在這個視頻上面看到的光刻的話 其實它是ASML的極紫外的EV光刻機 光刻機廠商找我們掐飯 所以我們就不放購買鏈接了 有需要的小夥伴請自行搜索 光刻 古名思義就是用光來刻 其實不對 光在其中並沒有起到雕刻的作用 它只是用光把光眼膜上的圖像轉移到光刻膠上 將光透射出去 在光刻膠上乘下光刻是縮小圖像 我們需要把光眼膜上的電路 縮小到更悲觀的尺寸上 在光的照射下 光刻膠上的化學物質就開始產生化學反應了 有的光刻膠在見光以後 會變成可溶解的狀態 這就很容易在接下來的環節中被沖洗掉 這種膠叫做正膠 另外一種光刻膠則會在見光之後變得更加堅固 所以不見光的地方更容易沖洗掉 這種膠叫做負膠 現在的工藝我們一般使用正膠 光刻是芯片製造裏技術含量最高的一個環節 涉及到非常多的技術問題 好 那麼這就是光刻的一個大概的原理 對吧 它就是利用光和光刻膠來發生一個化學反應 從而來生成一定的電路圖案 對不對 那麼這裏比較複雜的就是這裏的光 我們應該怎麼來發生 對不對 因爲光這個東西的話 它像一個光子 像一個光子的話 它沒有質量 而且它的體積是非常小的 所以說就比較難控制 是吧 好 那麼光刻之後的話 那麼光刻膠它就可以溶解 所以說下一步的話 那麼就是顯影了 顯影 那麼在上一個的話 我們是講了光刻 對吧 那麼光刻之後的話 那麼光刻膠 它就變成那種可溶解的狀態 所以說下一步的話就需要顯影 顯影 好 那麼顯影的話 它一般是需要顯影機的 那麼我們來看一下顯影 它到底是怎麼回事 好吧 它的功力是怎麼樣的 第六步 顯影 光刻膠曝光以後就進入顯影階段了 所謂顯影就是把光刻膠上不需要的部分 沖洗的問題 比如因爲液體的張力 很細小的地方可能進不去 就溶解不乾淨 通過其他的顯影方式 比如噴霧式顯影 一邊噴顯影液 一邊沖洗 同學們要有個概念 它剛纔視頻裏面剛纔所說的 它有些地方它很小 對不對 它溶解不進去 那麼這裏的小的話 它是指那種納米級別的一些 納米級別的一些尺度 所以說水它因爲張力進不去 所以說這顯影液 它因爲張力進不去 這是很正常的 好吧 好 那麼這就是我們顯影的工藝 那麼顯影之後的話 它下一步的話 其實就要開始刻石了 那麼本節課的話 我們就來看一下刻石 它到底是怎麼回事 在上天的話 我們是已經講到了顯影 顯影的話 它就是把光刻膠 被光刻機刻到的地方 把它給衝解 把它給溶解掉 對吧 好 那麼它把那些地方溶解之後的話 那麼就要刻石了 那麼刻石的話 它就需要刻石機子 好 那麼我們來看一下刻石 它到底是怎麼樣的 第七步刻石 爲了把光刻膠上 已經顯影的東西刻到芯片裏 我們需要進入下一步了 這就是刻石 刻石其實和顯影有點類似 顯影是在光刻膠上挖坑 刻石是在硅片上挖坑 既然對我們顯影是在光刻膠上挖坑 刻石是在硅片上挖坑 當然的話 它這裏挖的坑 其實是它表面的一層氧化 一層氧化硅 於是最後挖出來的坑可能是這樣的 這就叫各項通信問題 再比如選擇比的問題 刻石液在溶解硅片的同時 也會溶解光刻膠 只不過一個溶解的快 另一個溶解的慢 兩者溶解速度的比值就叫做選擇比 假設你要在硅片上挖出一個深坑 但是刻石液的選擇比卻不夠大 那麼很可能一坑還沒有挖完呢 周圍的光刻膠已經被溶解乾淨了 於是爲了滿足更高的工藝要求 我們有了幹閥刻石 要做幹閥刻石 你需要一個容器 這個容器叫做反應室 反應室上方有一個圓盤狀的電極 能夠產生射頻電場 在反應室的下方 我們接上負極 同時把晶圓放上去 然後我們從一邊通入反應氣體 反應氣體在射頻作用下 就會被電離成等離子體 等離子體由帶負電的電子 和帶正電的離子組成 於是帶正電的離子 就會被吸引到晶圓這一邊 高速的離子撞擊到晶圓上 就會把晶圓上露出來的部分刻石掉 幹閥刻石因爲反應氣體的不同 會有不同的特點 如果反應氣體是腐蝕性氣體 主要還是靠腐蝕 這種攻擊就是化學攻擊 選擇比會比較好 但是各項同性問題會更嚴重 如果反應氣體是惰性氣體 那就主要是靠高速的離子 把晶圓上的原子撞飛 這就是物理攻擊 各項同性問題可以避免一些 但是這種攻擊屬於無差別攻擊 所以選擇比就會差很多 說到這裏我們順便說一句 刻石是我們在整個芯片製造流程中 最少被卡脖子的環節之一 中微公司的三納米刻石機 已經能夠量產 具備了在國際市場上 和頂尖廠商掰掰手腕的能力 刻石在芯片製作中有很多作用 它既可以刻出芯片上的溝槽和凸起 也可以刻石掉表面的二氧化硅阻擋層 好在硅晶體中摻雜別的元素 來製造晶體管 我們回頭看看一開始提到的莫斯管 上面這兩塊是失主 也就是n需要摻零 只需要通過摻雜來實現 好那麼這就是刻石 那麼刻石其實說白了 它就是一個化學反應 不管是用我們的刻石液來實現 還是說用那種鋼法刻石來實現 對不對 所以說的話 從原理上來講的話 刻石是比較簡單的 在上一個的話 我們是說了刻石 那麼刻石之後的話 其實我們芯片表面 它需要用光刻的地方的話 它也都被光刻了 對不對 所以說它後面也不需要光刻了 所以說光刻膠它就沒用了 對吧 那麼沒用的話 就需要去膠這一步工序 那麼去膠 去膠的話 其實它是需要晶圓去膠設備 其實它也是利用這些化學反應 來把這上面的光刻膠 把它給去掉 那麼我們就一起來看一下 它這裏的去膠到底是怎麼樣的 好吧 去膠是光刻工藝中的最後一步 在刻石離子注入等圖形化工藝完成後 晶圓表面剩餘光刻膠 以完成圖形轉移和保護層的功能 通過去膠工藝進行完全清除 避免影響後續集成電路芯片 製造工藝效果 去膠工藝可分爲溼發和幹發去膠兩類 溼發去膠工藝使用溶劑 對光刻膠等進行溶解 幹發去膠工藝 可視爲等離子刻石技術的延伸 主要通過等離子體和薄膜材料的 化學反應完成 溼發去膠中使用的溶劑 包括有機溶劑以及無機溶劑 而無機溶劑則主要是硫酸和雙氧水等 將光刻膠中的碳元素氧化成爲二氧化碳 把光刻膠從硅片的表面去除 由於溶劑溢於金屬反應 因此不適合用鋁鋁同等製成的去膠 幹發去膠 利用等離子體將光刻膠去除 以使用氧等離子爲例 硅片上的光刻膠 通過在氧等離子體中發生化學反應 生成的氣態的一氧化碳 二氧化碳和水分等 可以由真空系統抽走 幹發去膠 適用於絕大部分的去膠工藝 是當前的主流方案 相較於半導體制成中的其他設備 去膠設備的市場規模相對較小 整體價值量較低 根據Gartner數據 2022年全球集成電路製造幹發去膠設備 市場規模爲7億美元左右 近年來 全球集成電路製造幹發去膠設備領域 呈現多寡頭競爭的發展趨勢 主要參與者包括一堂半導體 比斯科日立高新範林半導體 在國際巨頭 歷來佔據主導地位的半導體設備領域 一堂半導體 憑藉31.29%的市場佔有率 位居全球第一 確立了在幹發去膠設備 席分市場中國際領先的行業地位 目前去膠設備 是我國半導體設備國產化替代中 最爲成功的部分 由於幹發去膠設備整體市場規模有限 一堂半導體 也在向其他工藝的設備發展 包括快速熱處理設備 幹發刻石設備等 那麼去膠的話 我國的國產替代是比較多的 對吧 爲什麼 也是因爲它比較簡單 對不對 也是一些化學反應 好 那麼這就是我們去膠工藝的講解 本期的話 我們來講一下離子注入 也叫摻雜 那麼離子注入的話 它其實是把其他一些離子 把它摻雜到我們晶圓裏面去 好 那麼我們就來看一下離子注入 它到底是什麼樣的一個原理 好 我們一起來看下這個視頻 好 我們來看一下 第八步 摻雜 假設現在我們已經在二氧化硅薄膜上 用刻石挖出來兩個洞 接下來我們就需要把磷通過這兩個 就像墨汁在水中會散開一樣 在固體當中原子也會散開 不過我們需要足夠的溫度和濃度 所以我們把晶圓放在高溫的擴散爐管中 通入足夠濃度的雜質蒸汽 雜質原子就會擴散到晶圓上 然後一點一點擴散到裏面 然後你就完成了摻雜 但是隨着芯片尺寸 越做越小 擴散方式的摻雜 因爲不能精確控制 就不太夠用了 輸入使用高能粒子術 將雜質直接射入到灰 剛纔擴散的方式的話 其實它就只適用於那種 只適用於那種精度不高的晶圓 比如說那種28納米的 或者說100納米以上的 對不對 那麼像我們現在7納米 3納米這種芯片的話 用這種摻雜就不可能實現了 就不可能 那麼這裏的話 它就需要用到其他的方式了 那麼我們一起來看一下 離子注入裝置長這個樣子 最上頭是離子注入源 因爲氣體最方便操作 所以一開始我們注入氣體 比如靈丸或者三幅化硼 這些氣體通過離化反應使之 被裏面的高速電子撞擊 電子撞飛了 變成離子狀態 不過這個時候的離子成分很複雜 比如我們現在需要硼離子 但撞出來的離子可能既有硼離子 又有幅離子 還有各種幅化硼離子 要是一股腦給射到晶圓裏 這塊晶圓就毀了 怎麼辦呢 需要通過質譜分析儀 把需要的離子挑出來 怎麼做呢 給它加一個外部的磁場 磁場的作用就是讓離子發生偏移 因爲這個離子的話 它是帶電荷的 那麼帶電荷的東西的話 它在磁場裏面的話 它是會受到一定的作用力 所以說它就會發生偏移 那麼這個偏移的話 其實它是根據你帶電荷的數量 發生的偏移也不同 所以說它就是這個原理 這些離子有的大有的小 有的速度快 有的速度慢 於是當它們轉彎時 有的畫的圈更大 有的畫的圈更小 我們在終點只留下很窄的一條縫隙 於是偏轉軌跡不對的就被擋住了 只有你需要的那種離子 因爲速度和運動軌跡正好合適 才能通過去 這樣就篩選掉了其他的離子 這些剩下的離子通過加速管 被磁場加速到足夠高的能量 然後通過磁透鏡再次聚焦 在飛行的過程中 它們可能和空間中殘留的氣體分子撞擊 導致某些粒子被中和 清除掉這些中性粒子 我們必須再加一個彎曲磁場 於是帶正電的粒子再次成功拐彎 最後撞擊到晶圓上 而中性粒子就直接飛出跑道之外了 這就是離子注入方式的摻雜了 離子注入可能會撞壞原來 那麼這就是離子注入了 那麼離子注入的話 其實在這個過程當中的話 其實有一個比較嚴格的要求 就是要要求真空 因爲如果說你不是真空環境的話 那麼你這顆你這粒子 那麼就會和空氣裏面的一些分子來撞擊的話 那麼這樣的話整個過程就毀了 對不對 所以說就需要真空環境 好 那麼這就是離子注入 那麼我們離子注入的話 它也可能會撞壞原來 硅晶體中的一些晶格結構 硅晶體中的晶格結構造成損傷 爲了修復這些損傷 我們需要把它放在600-1000度的氫氣中 烤一下 俗稱退火 對 所以說我們離子注入之後的話 下一步工序它就是退火了 好吧 在上節目的話 我們是講的離子注入 那麼離子注入之後的話 因爲一些離子的話破壞了它的晶格結構 所以說它就需要用退火 來修復它的結構 好 那麼我們就來看一下退火 它的工藝有哪一些 在芯片製造中 退火工藝無處不在 通過將晶圓加熱到一定溫度 並在此溫度下保持一段時間 然後以恆定的速度冷卻 以達到修復晶格缺陷 促進雜質分佈的目的 晶圓退火工藝可分爲爐管退火 快速熱退火 RTA激光退火 離子束退火等 目前晶圓廠中最常見的RTA退火系統 成本適中 均勻性好 能夠在幾秒到幾十秒的極短時間內 迅速升溫 保溫與冷卻 大大提高了晶圓退火效率與效果 好 那麼這就是退火的一個流程 那麼退火之後的話 其實我們晶圓就要開始薄膜沉積了 好 那麼在退火之後的話 我們就開始薄膜沉積了 薄膜沉積的話 其實它主要是氣象沉積 氣象沉積 那麼我們一起來看一下它的一些原理是怎樣的 我們來反饋一下 有點卡 要在晶圓上長出一些氣象沉積種類很多 但簡單來說都是利用化學物質在氣態下的反應來生成的 比如假設我們想要在晶圓上再生成一層硅膜 可以通入兩種氣體 一種是次氯化硅 一種是氫氣 次氯化硅和氫氣反應生成硅和氯化氫 氯化氫就是氣體就跑掉了 而硅是固體就沉澱下來 在晶圓上生成了一層硅膜 而物理氣象沉積則是用物理方法把要沉積的元素送達到晶體表面 比如建設沉積 它和前面講的三法刻石有點類似 主要也是靠離子來轟擊 不過這次轟擊的不是晶圓 而是鍍膜用的材料 把你鍍膜用的材料作爲靶材放到蒸發器裏 接上負電 然後通入亞氣電離程等離子體 帶正電的離子被電場加速 就會撞擊到負電端的靶材上 把靶材的原子直接撞出來 這些原子在空中飛來飛去 有一部分就飛到晶圓上落下來 形成一層薄膜 物理氣象沉積很多時候用來處理金屬 在硅片上形成金屬膜 好 接下來刻出導線電路 那麼這就是我們的薄膜沉積 因爲薄膜沉積的話 其實它主要是爲了金屬化來做一個準備 因爲我們燒的話是要在晶圓上面是需要刻出電路來的 那麼金屬化其實也是刻石 只不過他們刻石的對象是不一樣的 是不一樣 那麼我們一起來看一下它這裏的原理是怎樣的 所以我們現在說第十步金屬化 通過摻雜沉積和刻石 你現在已經在硅片上形成了一些器件 它們就像一座座獨立的房子 需要道路連接起來 所以接下來我們需要用導線將它們連起來 這個形成金屬導線的過程就叫做金屬化 金屬化其實很簡單 首先在絕緣層上挖個孔 將金屬沉積進去 然後再在上面生成 然後在上面生成一層金屬膜 這個工藝過程其實就是我們上一步所講的薄膜沉積 薄膜沉積對吧 其實就像是生成鍍膜 鍍膜 成一層金屬膜 然後使用刻石把不需要的部分挖掉 你就得到了把不同器件連接在一起的導線 當然隨着芯片的縮小和複雜化 原先僅僅一個平面的金屬連線已經不能滿足需要了 就像發達的城市需要立交橋來解決複雜的交通問題一樣 我們也可以把金屬連線做成好幾層來處理更復雜的佈線問題 這也不難 無非就是把單層佈線的過程重複多次 再在不同的金屬層之間加上絕緣層而已 使用金屬化完成這一切以後 基本來說你的芯片就完成了 當然嚴格來說 它現在還不能叫芯片 只能算一塊佈滿芯片的晶圓 你還要把它切割封裝 最後它才能變成一塊一塊的芯片 但這不是我們要說的芯片的重點了 所以今天就此打住吧 現在我們回頭再看一看一開始提到的MOS管 這下面是受主 也就是P 也就是需要參橫和少量的0 上面這兩塊是施主 也就是N 需要參0 然後上面還有一層絕緣層和一個可通電的山脊 你大概知道它是如何被刻出來的吧 我們假設現在的硅片是已經預先做了P型摻雜的了 那麼要在這兩個位置摻雜0 我們需要先挖坑 也就是說先氧化 形成氧化層 然後塗光刻膠 用光刻在光刻膠上挖出洞 接着用刻石把氧化層挖掉 再氧化 這樣就在挖的坑上形成了一層薄的二氧化硅 這層二氧化硅是爲了做山脊下面的絕緣層的 接着我們用薄膜沉積 在上面生長出一層能導電的多晶硅 是的 這一塊就是將來的山脊 現在需要的幾層都已經準備好了 我們把它刻出來 還是先塗膠 再光刻 然後挖掉光刻膠 接着用刻石挖出坑 現在你已經擁有了絕緣層和山脊 接下來就該摻雜上場了 通過摻雜 我們在這兩個坑的底部摻雜進0原子 於是兩塊N型半導體就生成出來 一個貌似吧 已經基本齊活了 最後兩個步驟 首先再生成一層氧化層作爲絕緣層 然後再次動用光刻和刻石 在氧化層上打上三個洞 通過金屬化生成一層金屬膜 把金屬放進去 然後在整個表面再生成一層金屬膜 再次動用光刻和刻石 把不需要的部分挖掉 只留下導線部分 於是一個可以和其他器件相連接的 MOS管就製作出來了 而一個芯片 就是這樣無數個器件 通過複雜的導線連接起來 才能夠完成複雜的運算任務 那麼這就是我們整個晶圓 它中斷的工藝 那麼它整個中斷的工藝 其實也是最難的 對吧 那麼當然的話 其實不同規格的芯片 他們的工藝流程的話 其實也是光刻 顯影 以及刻石 這些工藝不斷的來疊加的 對不對 那麼像華爲的話 像華爲他們的芯片的話 他們就是通過多重曝光的形式 來達到那個效果 對吧 那麼在金屬化之後的話 我們下一步的話 其實對於我們晶圓 其實還是需要進行一個研磨的 那麼這個研磨的話 其實和之前的研磨差不多 也是需要CMP研磨設備 是吧 好 那麼這個研磨的話 我就不多講 因爲這個的話之前也說過了 這個研磨的話 它也不是屬於什麼 非常高端的工藝 那麼IC製造完成之後的話 那麼下一步的話 它就是IC封裝測試了 那麼IC封裝測試的話 首先第一步的話 它就是晶圓簡薄 它不需要那麼厚 所以說我們就需要把它的背面 再給它磨薄一點點 那麼我們來看一下它的一個視頻 好吧 那麼其實關於後端的設備的話 我們國產是都沒問題的 晶圓簡薄的具體步驟 是把所要加工的晶圓 粘貼到簡薄膜上 然後把簡薄膜及上面芯片 利用真空吸附到 不孔陶瓷成品臺上 飛行金剛式砂輪工作面的內擺 原來就是通過上面的砂輪 來磨整個晶圓的背面 從而實現簡薄的目的 從中線調整到硅片的中心位置 硅片和砂輪照各自的中線迴轉 進行切記磨削 磨片時 需要在正面貼膠帶 保護電路區域 同時研磨背面 研磨之後 取出膠帶測量厚度 好 那麼這就是我們整個晶圓 簡薄的一個原理及過程 好吧 那麼再看下一個的話 我們講了晶圓簡薄 那麼晶圓簡薄之後的話 其實就需要對我們晶圓上面 進行劃片了 因爲我們一個晶圓上面 它是有很多個芯片的 所以說它是需要切割的 需要切割 那麼像晶圓劃片設備的話 其實它一般可以採用那種 激光劃片 我們來看一下 這是一個晶圓切割的3D動畫 這裏的話 它先取一片晶圓 那麼像這種取晶圓的接手的話 其實都是集成的 都是集成的 通過視覺來定位 這裏的話是先通過視覺來定位 那麼視覺定位之後的話 再通過激光來切割 劃線 激光劃線切割 就這麼循環往復的話 就把整個的一個晶圓 把它給切割成很多 很小的芯片了 那麼到這裏的話 其實它就切完了 切完之後 下一步就是貼片了 貼片 再來切下一片 那麼這就是我們的切片的工藝 在上一個的話 我們是已經講了 劃片 就是切片工藝 那麼切片之後的話 我們就需要把一面的芯片 單個芯片 把它給貼到其他地方去 對不對 所以說這裏的話 它就需要貼片 那麼就需要貼片機 貼片機 當然的話 這裏的貼片機 它並不是指的那種 SMT的貼片機 他們貼的是不不一樣的東西 好吧 那麼我們就一起來看下 晶圓貼片 它的是什麼樣子的 什麼是晶圓貼片 從完成劃片的晶圓 將其放在封裝包 用粘合劑固定 其實很簡單 就是把已經切好的芯片 把它通過搬運 把它放在我們封裝底座上面 然後再通過膠水什麼的 把它們粘在一起 這就是晶圓貼片了 是不是 這個過程其實也比較簡單 最多可能就是說 需要節拍快一點 在上期的話 我們是已經說了 貼片 我們是把芯片 把它放到我們封裝底座上面去 對不對 那麼放到封裝底座上面去 之後的話 我們就需要通過引線 把封裝底座上的一些針腳 和我們芯片上面的一些位置 把它連起來 從而形成一個閉合的電路 對吧 那麼所以說在這個過程當中的話 就需要引線建合設備 對吧 那麼我們就一起來看一下 這裏是個什麼原因 你見過世界上最精密的縫紉機嗎 芯片建合設備 是一種用於將芯片 與引線連接的關鍵設備 其工作原理 是將微小的金線或銅線 焊接到芯片的引腳上 第一精度 芯片建合設備的精度非常高 通常可以在20微米以下的範圍內 定位金線或銅線 這相當於人類頭髮直徑的1 5分 第二速度 它的速度通常一秒就掉 比如每秒可以完成數百個焊點 這種速度非常快 相當於人類眨眼的速度 第三效率 芯片建合設備的效率非常高 通常可以在短短几秒鐘內 完成成千上萬個焊點 這相當於人類需要幾個小時 才能完成的工作量 芯片建合設備具有極高的精度 速度和效率 可以在非常短的時間內 完成大量的焊接工作 它是芯片製造中 不可或缺的重要設備 你知道國內有哪些芯片建合廠家嗎 那麼其實這個設備還是有難度的 爲什麼 就是因爲它的節拍太快了 對不對 節拍快 精度高 其實精度的話還好 精度20微米 兩個四的精度 其實還好 主要是它的節拍太快了 節拍 那麼這就是我們的建合設備 在上一條的話 我們是說了引線建合 那麼其實引線建合之後的話 我們芯片它就需要封裝了 封裝的話 其實就是在封裝底座上面 再來給它扎一層防護 那麼我們來看一下 這個封裝是什麼樣子的 爲什麼有的芯片是銀角封裝 而手機的芯片 則是用的底部BGA球3陣列封裝 我們先看這個芯片 所謂的芯片 其實只有中間很小的一部分 仔細看到的結構 芯片是正面朝上 內部的電路 會連接到四周的凸塊 然後再一根一根打線 打出比頭髮絲還要細的經線 連接到引角 然後再用外殼粘連保護 這種封裝就稱爲打線工作 其實這個的話 它可能是需要那種成型設備 成型設備 通過那種塑料粒子成型 隨着芯片的功能越多 四周引角數量也要隨之增加 相應的外殼體積 就不得不做得更大 如果要做成手機處理器級別的芯片 估計光一塊芯片 底積就得和110先差不多大 很顯然這種封裝肯定不合適 我們再來看看 另一種封裝 是如何解決底積問題的 拆開芯片外殼 芯片是正面朝下 然後整面鋪滿凸塊 這些凸塊緊貼着一塊導線載板 注意看導線載板的線路 是直接穿孔到另一面 然後植入金屬球 芯片就是通過這些金屬球 和外部連接 對比之前 面積變得更小 影響數量可以變得非常多 如果是用在手機裏的芯片 到這一步還不夠 手機芯片除了核心計算 還有存儲 基帶 其他等等多種模塊 也就是要將多個模塊的芯片 實現相互通信 並且整合在一個封裝裏 它的原理是將所有芯片模塊朝下 放很多非常細微的凸塊 然後接上一塊系中介板 利用化學的方法 在系中介板是刻出線路 並且這些線路是穿孔打通 線路只有10微米 約爲頭髮絲的1 1 1個絲 再放金屬凸塊連接導線窄板 導線窄板的線路同樣也是穿孔打通 再接上非常多的金屬球 這一種封裝就是2.5D封裝 目前遙遙領先芯片 以及其他芯片都是採用這種封裝 從實物可以看到 背部的金屬球非常密集 金屬球之間的間距也非常窄 在焊接電路板的時候 稍微有點傾斜 金屬球非常容易接觸焊盤 所以手機芯片的焊接環節 會採用SMD貼墊機 利用機器來識別焊盤的位置 精準貼裝芯片 想要看壓在中間的焊盤 是否準確對準 直接看肯定是看不到的 所以SMD工廠會採用SRAY設備 它的原理類似於照X光 可以清楚看到內部的接觸狀況 透過這個鏡頭 也能清楚看到非常細小的線路 芯片採用的2.5D封裝想要突破 無論怎麼擺 所有芯片模塊都是平鋪在一個面 還有更加突破的技術 則是連芯片本身也進行穿孔 也就是中間層的芯片 本身既保持原功能 還要打孔起到上下相通的作用 所以要在晶體管10克階段 就要考慮走線穿孔的問題 這個難度非常非常大 目前能夠做到穿孔的芯片 只有一種 就是DRAM內存芯片 目前已經實現3D封裝的芯片 是用在攝像頭的頭像處理芯片 頂部是用於受光的傳感器 中間是DRAM實現中間穿孔 底部則是用於邏輯運算的計算模塊 正好組成一組3D封裝 所以未來芯片的發展方向 是將所有芯片實現穿孔堆疊在一起 這個難度非常難 目前還沒能夠實現 以上就是芯片的封裝原理 好 那麼這就是我們的封裝 在上一個的話 我們是說了封裝 對不對 那麼封裝之後的話 那麼就是測試了 那麼測試也是我們整個芯片 製造的最後一個環節了 那麼通過測試的話 來檢測我們芯片 它各個方面的一些功能 對吧 我們一起來看一下 二功耗測試 芯片的功耗測試 是爲了評估芯片 在不同工作條件下的能耗情況 通常使用功耗測量 與對芯片進行測試 記錄芯片在不同負載和頻率下的功耗數據 並通過分析數據 來優化芯片的功耗性能 三溫度測試 芯片的溫度測試 是爲了評估芯片 在工作過程中的溫度變化情況 常見的測試方法 包括使用溫度計 或熱像與對芯片進行測量 以獲取芯片的溫度分佈圖 從而瞭解芯片的散熱效果和熱點分佈 四容忍度測試 容忍度測試 是爲了評估芯片 在不同外界條件下的容忍程度 比如電壓波動電磁干擾等 通過模擬外界條件的變化 對芯片進行測試 並分析芯片在不同條件下的響應 和產生的誤差 以提高芯片的抗干擾能力和可靠性 芯片的測試原理 主要是通過對芯片的電性能 功耗 溫度和容忍度等參數的評估 來驗證芯片的穩定性和可靠性 以及對其進行優化和改進 好 那麼這就是我們整個的一個測試 那麼至此的話 我們芯片的製作算是完成了 其實像這種半導體的產業 它的工藝其實是比 它的工藝是要比設備就是說更難的 因爲一般都是先有工藝 後纔會有這個設備 好吧 那麼這個專題到這裏就結束了