作者：彭洋洋博士
3月21日，英伟达创始人兼CEO黄仁勋再次穿着标志性皮衣亮相，发布了多款针对AI的最新技术。不同于以往AI只是针对于软件产品，这次英伟达还发布了用于先进制程芯片设计和制造，可以让计算光刻变的更“聪明”的加速技术。一时间让光刻机再次成为聚焦。
近年来，“芯片”成了热词，而代表芯片最底层最基础的“芯片制造工艺”也成了全民关注的焦点，这其中最夺目的，莫过于舞台中央的“光刻机”。
“光刻机”是芯片制造中的关键设备，并且随着芯片技术演进，晶体管特征尺寸越来越小，需要用到的光刻机就越尖端。因为光刻机技术的差距，以及光刻机故事的不断被渲染， “光刻技术”仿佛成为了半导体技术的唯一重要技术。
其实在芯片制造工艺中，除了光刻工艺外，还有其他多个重要工艺步骤，这些步骤同样不可或缺。这些关键步骤与光刻一起，才能共同实现芯片的“点沙成金”。这些关键步骤主要包括：
一、 晶圆制备：画布始开
二、 氧化工艺：制作铠甲
三、 光刻刻蚀：图形绘制
四、 掺杂工艺：灵魂注入
五、 薄膜工艺：阡陌交通
在《5G射频芯片中的半导体》中，我们对芯片中用到的半导体器件结构做过讨论。本文中，就对这些工艺实现做一个简单探讨，一同探究半导体工艺中的五大关键步骤。
一、晶圆制备，画布始开
半导体工艺的第一步，就是制造晶圆。晶圆是一种很薄而且非常光滑的半导体材料圆片，是集成电路的“画布”。一切后续的半导体工艺都是在这个“画布”上展开。
图：半导体晶圆片
以硅基晶圆为例，半导体晶圆的主要制备步骤有[1]：
- 硅提炼及提纯：大多数晶圆是由从沙子中提取的硅制成的。将沙石原料放入电弧熔炉中，还原成冶金级硅，再与氯化氢反应，生成硅烷，经过蒸馏和化学还原工艺，得到高纯度的多晶硅。
- 单晶硅生长：将高纯度的多晶硅放在石英坩埚中，并用外面围绕着的石墨加热器不断加热，使多晶硅熔化。然后把一颗籽晶浸入其中，并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转，同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。这样就形成了圆柱状的单晶硅晶棒。
- 晶圆成型：将单晶硅棒经过切段、滚磨、切片、倒角、抛光、激光刻等工序，制成一片片薄薄的半导体衬底，即晶圆。
- 半导体晶圆的尺寸在这一步骤中确定。晶圆的尺寸一般以“英寸”为单位。在半导体行业的早期，由于工艺能力的限制，硅棒直径只有3英寸，约合7.62厘米。此后，随着技术进步和生产效率提高，晶圆尺寸不断增大。目前，在半导体制造中使用的最大直径为12英寸（又称300毫米）。
图：晶圆尺寸的演进
在芯片晶圆上，有一些特殊的部分和特定的名称，比如：
- Wafer：指整张晶圆
- Chip、Die：是指一小片带有电路的硅片
- 划片道（Scribe line）：指Die与Die之间无功能的空隙，可以在这些安全的切割晶圆，而不会损坏到电路
- 测试单元：一些用于表征Wafer工艺性能的测试电路单元，规律分布于Wafer各位置
- 边缘Die（Edge Die）：Wafer边缘的一部分电路，通常这部分因为工艺一致性或切割损坏，会被损失。这部分损失在大的晶圆片中占比会减少
- 切割面（Flat Zone）：被切成一个平面的晶圆的一条边，可以帮助识别晶圆方向
