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關于芯片制造工藝過程

             芯片的制造過程可概分為晶圓處理工序(Wafer Fabrication)晶圓測試工序(Wafer Probe)封裝工序(Packaging)測試工序(Initial Test and Final Test)等幾個步驟。其中晶圓處理工序和晶圓測試工序為前段(Front End)工序,而封裝工序、測試工序為后段(Back End)工序。


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 制造芯片的基本原料 

           制造芯片的基本原料:硅、金屬材料(鋁主要金屬材料,電遷移特性要好,銅互連技術可以減小芯片面積,同時由于銅導體的電阻更低,其上電流通過的速度也更快)化學原料等。

芯片制造的準備階段 

           在必備原材料的采集工作完畢之后,這些原材料中的一部分需要進行一些預處理工作。作為最主要的原料,硅的處理工作至關重要。首先,硅原料要進行化學提純,這一步驟使其達到可供半導體工業使用的原料級別。為了使這些硅原料能夠滿足集成電路制造的加工需要,還必須將其整形,這一步是通過溶化硅原料,然后將液態硅注入大型高溫石英容器來完成的。

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            而后,將原料進行高溫溶化為了達到高性能處理器的要求,整塊硅原料必須高度純凈,及單晶硅。然后從高溫容器中采用旋轉拉伸的方式將硅原料取出,此時一個圓柱體的硅錠就產生了。從目前所使用的工藝來看,硅錠圓形橫截面的直徑為200毫米。在保留硅錠的各種特性不變的情況下增加橫截面的面積是具有相當的難度的,不過只要企業肯投入大批資金來研究,還是可以實現的。

 “下面就從硅錠的切片開始介紹芯片的制造過程。”


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           在制成硅錠并確保其是一個絕對的圓柱體之后,下一個步驟就是將這個圓柱體硅錠切片,切片越薄,用料越省,自然可以生產的處理器芯片就更多。切片還要鏡面精加工的處理來確保表面絕對光滑,之后檢查是否有扭曲或其它問題。這一步的質量檢驗尤為重要,它直接決定了成品芯片的質量。


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             新的切片中要摻入一些物質,使之成為真正的半導體材料,然后在其上刻劃代表著各種邏輯功能的晶體管電路。摻入的物質原子進入硅原子之間的空隙,彼此之間發生原子力的作用,從而使得硅原料具有半導體的特性。今天的半導體制造多選擇CMOS工藝(互補型金屬氧化物半導體)。其中互補一詞表示半導體中N型MOS管和P型MOS管之間的交互作用。N和P在電子工藝中分別代表負極和正極。多數情況下,切片被摻入化學物質形成P型襯底,在其上刻劃的邏輯電路要遵循nMOS電路的特性來設計,這種類型的晶體管空間利用率更高也更加節能。同時在多數情況下,必須盡量限制pMOS型晶體管的出現,因為在制造過程的后期,需要將N型材料植入P型襯底當中,這一過程會導致pMOS管的形成。 

           在摻入化學物質的工作完成之后,標準的切片就完成了。然后將每一個切片放入高溫爐中加熱,通過控制加溫時間使得切片表面生成一層二氧化硅膜。通過密切監測溫度,空氣成分和加溫時間,該二氧化硅層的厚度是可以控制的。在intel的90納米制造工藝中,門氧化物的寬度小到了驚人的5個原子厚度。這一層門電路也是晶體管門電路的一部分,晶體管門電路的作用是控制其間電子的流動,通過對門電壓的控制,電子的流動被嚴格控制,而不論輸入輸出端口電壓的大小。準備工作的最后一道工序是在二氧化硅層上覆蓋一個感光層。這一層物質用于同一層中的其它控制應用。這層物質在干燥時具有很好的感光效果,而且在光刻蝕過程結束之后,能夠通過化學方法將其溶解并除去。

 光刻蝕 

           光刻蝕是芯片制造過程中工藝非常復雜的一個步驟,為什么這么說呢?光刻蝕過程就是使用一定波長的光在感光層中刻出相應的刻痕,由此改變該處材料的化學特性。這項技術對于所用光的波長要求極為嚴格,需要使用短波長的紫外線和大曲率的透鏡。刻蝕過程還會受到晶圓上的污點的影響。每一步刻蝕都是一個復雜精細的過程。設計每一步過程的所需要的數據量都可以用10GB的單位來計量,而且制造每塊處理器所需要的刻蝕步驟都超過20步(每一步進行一層刻蝕)。而且每一層刻蝕的圖紙如果放大許多倍的話,可以和整個紐約市外加郊區范圍的地圖相比,甚至還要復雜,試想一下,把整個紐約地圖縮小到實際面積大小只有100個平方毫米的芯片上,那么這個芯片的結構有多么復雜,可想而知了。

           當這些刻蝕工作全部完成之后,晶圓被翻轉過來。短波長光線透過石英模板上鏤空的刻痕照射到晶圓的感光層上,然后撤掉光線和模板。通過化學方法除去暴露在外邊的感光層物質,二氧化硅馬上在陋空位置的下方生成。 

  摻雜 

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           在殘留的感光層物質被去除之后,剩下的就是充滿的溝壑的二氧化硅層以及暴露出來的在該層下方的硅層。這一步之后,另一個二氧化硅層制作完成。然后,加入另一個帶有感光層的多晶硅層。多晶硅是門電路的另一種類型。由于此處使用到了金屬原料(因此稱作金屬氧化物半導體),多晶硅允許在晶體管隊列端口電壓起作用之前建立門電路。感光層同時還要被短波長光線透過掩模刻蝕。再經過一部刻蝕,所需的全部門電路就已經基本成型了。然后,要對暴露在外的硅層通過化學方式進行離子轟擊,此處的目的是生成N溝道或P溝道。這個摻雜過程創建了全部的晶體管及彼此間的電路連接,沒個晶體管都有輸入端和輸出端,兩端之間被稱作端口。


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                                                                                                                                                                                           重復這一過程

            從這一步起,將持續添加層級,加入一個二氧化硅層,然后光刻一次。重復這些步驟,然后就出現了一個多層立體架構,這就是你目前使用的處理器的萌芽狀態了。在每層之間采用金屬涂膜的技術進行層間的導電連接。

            接下來的幾個星期就需要對晶圓進行一關接一關的測試,包括檢測晶圓的電學特性,看是否有邏輯錯誤,如果有,是在哪一層出現的等等。而后,晶圓上每一個出現問題的芯片單元將被單獨測試來確定該芯片有否特殊加工需要。         

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            而后,整片的晶圓被切割成一個個獨立的處理器芯片單元。在最初測試中,那些檢測不合格的單元將被遺棄。這些被切割下來的芯片單元將被采用某種方式進行封裝,這樣才能使芯片最終安放在PCB板上。在芯片的包裝過程完成之后,許多產品還要再進行一次測試來確保先前的制作過程無一疏漏,且產品完全遵照規格所述,沒有偏差。







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