半导体装置制造是一个复杂的过程,负责生产多种晶片,包括微处理器、微控制器以及记忆体模组。在这个过程中,电子电路逐步形成在通常由纯单晶矽制成的晶圆上。尽管矽是最常用的材料,但许多特殊应用使用各种化合物半导体进行生产。
半导体制造的关键在于一系列的光刻、物理和化学处理步骤,如热氧化、薄膜沉积、离子植入和蚀刻等。
这些过程在高专业的半导体制造厂内进行,这些工厂通常被称为「晶圆厂」。在晶圆厂的中央,是洁净室,这是确保产品质量的最重要环境之一。在现代半导体装置的生产中,例如14/10/7纳米技术,生产过程通常需要长达15周的时间,11到13周则是业界的平均生产周期。
生产过程几乎完全自动化,专用的自动物料搬运系统负责将晶圆从一台机器运送到另一台机器。晶圆上通常有多个晶片,这些晶片被称为「晶粒」,在完成后的晶圆上用晶粒切割过程分开,以便进一步的组装及封装。在最终产品之前,晶圆以特殊密封的塑料箱称为FOUPs(晶圆盒)运送。这些FOUPs内部保持氮气氛围,以防止铜在晶圆上氧化,因为铜是现代半导体内部连接的材料之一。
晶圆加工设备和FOUPs内部的环境被称为微环境,这有助于提高良率,即晶圆上能正常工作器件的数量。
这个微环境是通过EFEM(设备前端模块)实现的,EFEM能从FOUPs接收晶圆并将它们引入机器中。许多机器还在清洁的氮气或真空环境下处理晶圆,以减少污染,并改善过程控制。晶圆厂需要大量液氮来维持生产设备和FOUPs内部的氛围,这些设备不断地充氮。 FOUP和EFEM之间可设置空气幕或网状结构,以降低湿气进入FOUP的量,提高良率。
许多用于工业半导体制造过程的设备制造公司包括ASML、应用材料、东京电子和立乐研究等。制造半导体装置的过程中,每一步的特征尺寸是通过光刻来决定的,这意味着可以定义半导体装置上的设计或模式。
特征尺寸是指在半导体制造过程中可以制作的最小线宽。
特征尺寸的测量,是基于半导体制程技术节点的最小特征尺寸,通常以纳米为单位。虽然这些技术节点的名称最初与功能特征尺寸并无明确关联,但随着时间推移,这个概念逐渐变得模糊。
半导体制造技术的发展有着悠久的历史。 1955年,由卡尔·弗罗什和林肯·德里克在贝尔实验室的一次偶然发现,让他们意识到使硅晶圆表面氧化的效果,这对未来的半导体技术探讨具有重要的意义。到1957年,他们已经可以生产矽氧化物场效应晶体管,这被认为是平面场效应晶体管的首次产出。
随着时间的推演,半导体晶圆尺寸也不断增大,从1960年的25mm增至200mm,最终成为300mm的标准。这一过程促使了自动化技术的引入,并使用更高效的设备完成生产。随着半导体市场需求的增加,制造商也开始设计更耐用的器件,以确保其在不同市场的适应性。
现代半导体装置中的许多新技术相继出现,包括FinFET技术,它能在22纳米节点提供更高的能效和更快的性能。到2018年,出现了多种新型晶体管架构,比如GAAFET,这代表了半导体技术又一新的发展方向。
整个半导体装置的制造过程包含多个步骤,包括晶圆处理、光刻、离子植入、蚀刻以及封装等。这些步骤共同构成了半导体制造的核心,并依赖于专业制造设备和洁净环境的支持。
整个生产过程通常在晶圆厂进行,24小时高效运作,需要消耗大量的纯水以确保产品的纯洁度。每一块晶圆都经过严格的检测,以确保其性能达到预期要求。
在这样一个快速发展的行业里,新的技术和材料不断改变着半导体的未来,究竟未来的半导体行业还会带来哪些惊喜呢?