产业观察丨全干货！一文详细了解从硅片到晶圆的制作过程

在上篇文章中，我们已经详细介绍了硅片的提纯加工过程(产业观察丨芯片的诞生，晶圆是如何从“沙子”炼成的?)。现在，我们将进一步说明如何将集成电路芯片的设计电路一步步制造在硅片上，从而形成集成电路晶圆(IC Wafer)。

为了更具体地阐述，我们将以常见的手机处理器等数字逻辑芯片(Logic IC)的晶圆制造过程为例进行说明。

Part.01  氧化工艺(Oxidation)

经过精细抛光与清洗的单晶硅片，正式迈入晶圆加工的核心环节，首要步骤是执行氧化工艺(Oxidation Process)，其目标是在晶圆表面构建一层二氧化硅薄膜(SiO2)。这层薄膜发挥着多重保护作用，包括抵御化学杂质对晶圆表面的侵害、预防晶体管间的漏电现象，以及在后续离子注入和刻蚀等工艺中保护晶圆硅层免受损伤。通过构建这一坚实的防护层，氧化工艺为后续制造流程奠定了稳固的基础，并提供了必要的保障。

氧化工艺主要使用热氧化法，通过高温和纯氧或水蒸汽与硅反应，生成SiO2层。热氧化法分为干法氧化和湿法氧化，前者形成的氧化层薄但质量好，生长速度慢;后者形成的氧化层厚但密度低，生长速度快。随着集成电路特征尺寸缩小，对氧化层均匀性和精确控制要求提高，除了传统热氧化工艺，还使用等离子体增强化学气相沉积和原子层沉积等先进技术，在较低温度下形成高质量薄膜，并控制其厚度和组成。氧化工艺在晶圆制造中至关重要，目的在于确保晶圆表面稳定性和可靠性，为后续制造步骤奠定基础。

在氧化工艺中，一个至关重要的设备便是快速氧化炉。在全球范围内，享有盛誉的制造商包括美国的应用材料公司和日本的东京电子公司。与此同时，国内也有北方华创和中电四十八所等厂商在这一领域取得了显著成就。

Part.02  光刻与刻蚀工艺(Photolithography and Etching)

光刻工艺也是芯片晶圆制造非常关键的一步，而光刻与刻蚀工艺紧密联系在一起。光刻工艺将电路图形刻在了晶圆的光刻胶上，而刻蚀工艺才真正将光刻胶上的图案转移到了晶圆上，通过光刻与刻蚀的步骤，才可以将电路图案在晶圆片上真正实现。光刻与刻蚀工艺步骤一次只能实现一层集成电路图的结构，因此需要重复该工艺步骤多次，并使用多张不同的掩膜版，才能最终完成集成电路图案。

光刻工艺的过程与使用相机进行摄影的过程在某些方面存在相似之处。在进行摄影时，摄影师会首先将相机对准目标物体，随后调整焦距和光圈以确保清晰的图像。一旦这些参数调整到位，摄影师便可以按下快门，此时，相机的镜头便扮演着光刻机的角色，通过光线将目标物体的图像投射至相机的感光元件上。这个感光元件在芯片制造过程中，相当于晶圆，它负责记录下这一图像。最后，冲洗照片的方式，类似于芯片制造中的刻蚀工艺，感光元件上记录的图像将被转化为实际的物理照片。

光刻工艺的过程是将芯片设计的电路图案精确地“绘制”到晶圆上的关键步骤。首先，在晶圆上均匀涂抹一层感光材料，即光刻胶，它对光线极为敏感，类似于摄影中的感光元件。随后，光刻机发出特定波长的光线，通常是紫外光或极紫外光，透过精心设计的光掩膜版。光掩膜版上刻有电路图案的某一层，整颗芯片的电路图案可能由多层这样的掩膜版组合而成，每层的综合效果构成了最终的完整电路图案。这也是光刻工艺需要多次进行的原因。

经过特殊透镜的微缩作用，光掩膜版上的电路图案被精确投射到晶圆表面的感光材料上。在这一过程中，感光材料会发生化学反应，进而改变其性质。随后，通过化学溶液清洗处理，未被光线照射到的感光材料部分被去除，而被投射到的部分则得以保留，从而实现了电路图案从光掩膜版到晶圆表面感光材料的精确转移。

完成这一步骤后，后续的刻蚀工艺将图案进一步转移到晶圆上，最终将电路图案转化为晶圆上的实际物理结构。这一过程要求极高的精度和稳定性，以确保最终产品的性能和质量。

光刻工艺环节所利用的光罩(Mask)宛如一个高精度的“印章”，旨在将预设的电路图案精确地转移到晶圆之上。光罩通常由石英玻璃、铬金属(Cr)及其氧化物(CrO2)等材料精心制作而成，包含透明与不透明两部分区域，其中图案布局与最终需刻印于晶圆上的电路图案严格对应。当特定光线透过光罩照射到涂布有光刻胶的晶圆表面时，光罩的不透明部分将阻挡光线，而透明部分则允许光线通过，从而在晶圆上精准地投影出光罩上的图案轮廓。

由于掩膜版对IC晶圆制造至关重要，随着芯片制程工艺的进步和晶体管规模的扩大，掩膜版层数也在增加。一颗芯片的光刻过程可能需要数十张不同的掩膜版，成本不断上升。因此，为了更好地控制和服务于客户芯片制造并获取掩膜版的高利润，Fab厂商通常建立自己的掩膜版生产线。

有了掩膜版，就可以借助光刻机进行光刻工艺的生产制造过程。荷兰的ASML是最领先、最知名的光刻机制造商，几乎垄断了极紫外光刻机市场。由于光刻机技术复杂，每年的产量只有数十台，因此这些高端光刻机主要被全球前三大晶圆制造商——台湾的TSMC、美国的Intel和韩国的Samsung所购买。

Part.03  掺杂工艺(Doping)

掺杂工艺是形成集成电路中晶体管的关键步骤，只有经过此工艺，电路的电学特性才能形成，进而成为真正的半导体电路。

掺杂工艺主要利用薄膜沉积和离子注入等方法，引入特定杂质原子来改变硅材料的电学性质。例如，通过引入磷元素可制成N型半导体，而引入硼元素则形成P型半导体。这些半导体材料可组合成PN结和MOS管等关键电路单元，为现代电子器件提供基础。

掺杂工艺中主要会使用比如扩散炉、离子注入机等设备，主要来自AMAT、ASML、TEL等厂商，国内也有中电科四十八所等厂商在积极推进。

Part.04  金属布线工艺(Metal Wiring)

经过前面的工艺步骤，已经形成了基本的电路结构单元。但是，这些单元如果不进行连接，就无法形成完整的电路，也无法实现数据的顺利传输。为了实现电路的连接，需要采用金属布线工艺。

金属布线材料主要有铝、铜、钨等，目前多采用铜因导电和稳定性好，钨则用于深布线因其填充能力强。实现金属布线的方法包括物理气相沉积、化学气相沉积和机械化学平坦等工艺。此工艺涉及薄膜沉积和机械化学研磨等设备，全球领先企业包括美国AMAT、Lam Research，荷兰ASM、日本TEL，以及国内北方华创、拓荆科技、中微公司等。

至此，集成电路晶圆(IC Wafer)的制造流程宣告终结。在每一道制造工序之后，晶圆都必须历经缜密的品质检测，以确保各项工艺目标顺利达成。最终，成品晶圆还需通过WAT测试。WAT测试在晶圆工艺制造完成后进行，通过检测晶圆上特定位置结构单元电路的电性参数，全面评估每一片晶圆产品的工艺制造情况，进而判断其是否满足工艺制造的规格要求。因此，WAT数据被视为晶圆产品出货交付的质量凭证。

集成电路晶圆制造(Wafer Fab)作为科技领域中的一项杰出工业制程，集中展现了科技研发领域最尖端的设备、高精度材料与工艺。其所产出的芯片晶圆，已成为推动科技发展的核心基石。无论是在通讯、计算机、人工智能等前沿领域，还是在消费电子、工业控制等广泛应用领域，晶圆制造技术都扮演着至关重要的角色。我们坚信，随着技术的不断突破与创新，晶圆制造技术将继续取得更大的发展，持续为人类社会文明进步赋能。