从入门到放弃，芯片的详细制造流程！

中科院物理所

2025-05-12 10:39发布于北京中科院物理所官方账号

硅锭和晶圆

今天，我们说说芯片（晶粒）的制作流程。

这个环节，是芯片制造过程中最难的部分。我尽量讲得通俗易懂一些，也希望大家能耐心看完。

█ 氧化

首先，在切割和抛光后的晶圆上，我们要先做一层氧化。

氧化的目的，是在脆弱的晶圆表面，形成一层保护膜（氧化层）。氧化层可以防止晶圆受到化学杂质、漏电流和刻蚀等影响。

氧化的工艺，包括热氧化法、等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、电化学阳极氧化等。

其中，最常用的是热氧化法，即在800~1200°C的高温下，形成一层薄而均匀的二氧化硅层。

根据氧化时所使用的气体，氧化也分为干法氧化和湿法氧化。

干法氧化，通过输入纯氧，使其在晶圆表面流动，从硅进行反应，形成二氧化硅层。湿法氧化，是同时使用氧气和高溶解度的水蒸气。

干法氧化的速度慢，但形成的氧化层很薄，而且致密。湿法氧化的速度快，但保护层相对较厚，且密度较低。

目前，干法氧化是半导体制造中的主流技术。湿法氧化更多用于非关键层或特定厚膜需求场景。

█ 光刻（涂胶、前烘、曝光、后烘、显影）

接下来，终于到了最最最重要的环节——光刻。

我们这几年一直耿耿于怀被“卡脖子”的光刻机，就和这个环节有关。

所谓“光刻”，其实简单来说，就是像印刷机一样，把芯片电路图给“刻”在晶圆上。

光刻可以分为涂胶、曝光、显影三个主要步骤。我们逐一来看。

首先，是涂胶。

这个胶，叫做光刻胶，有时候也叫光阻，是一种光敏材料。

光刻胶有两种类型：正胶和负胶。

正胶，被特定的光束照射（曝光）之后，分子结构会发生变化，变得容易溶解。负胶，恰好相反，被照射之后，会变得难以溶解。大部分情况，用正胶。

涂胶时，先让晶圆在1000~5000RPM的速度下旋转。然后，将光刻胶少量倒在晶圆的中心。光刻胶会因为离心力的作用，逐渐扩散到整个晶圆的表面，形成一层1到200微米厚的均匀涂层。

涂胶

值得一提的是，光刻胶也是一个技术含量很高的材料。国内使用的大部分光刻胶都来自日本。

涂胶完成后，会对晶圆进行软烤加热，让光刻胶稍微固化一些。这个步骤叫“前烘”。

接着，该光刻机登场了，要进行曝光。

将晶圆放入光刻机，同时，也将掩模放入光刻机。

掩模，全名叫光刻掩膜版，也叫光阻，英文名mask。它是光刻工艺的核心，也是芯片设计阶段的重要输出物。

掩模是一块带有不透明材料（如铬）图案层的玻璃或石英板。上面的图案，其实就是芯片的蓝图，也就是集成电路版图。

掩模

在光刻机中，晶圆和掩模都被精准固定。然后，光刻机的特殊光源（汞蒸气灯或准分子激光器）会发出光束（紫外线），光束会通过掩模版的镂空部分，以及多层透镜（将光进行汇聚），最终投射到晶圆的一小块面积上。

精细的电路图案，就这样“投影”在晶圆上。

以正性光刻胶为例，被照射位置的光刻胶，会变得容易溶解。未被照射的光刻胶，则毫发无损。

固定晶圆和掩模的机械位不停地移动，光束不停地照射。最终，在整个晶圆上，完成数十个至数百个芯片的电路“绘制”。

光刻机工作过程

硅片从光刻机出来后，还要经历一次加热烘焙的过程（120~180℃的环境下，烘焙20分钟），简称后烘。

后烘的目的，是让光刻胶中的光化学反应充分完成，弥补曝光强度不足的问题。同时，后烘还能减少光刻胶显影后，因为驻波效应产生的一圈圈纹路。

接下来，是显影。

曝光之后，将晶圆浸泡在显影溶液中。显影溶液会去除被照射过的光刻胶（正胶），露出图案。

然后，对晶圆进行冲洗并干燥，就能够留下一个精确的电路图案了。

█ 关于光刻机

这里插一段，专门说说这个光刻机。

传统的光刻技术，通常使用深紫外光（DUV）作为光源，波长大约在193nm（纳米）。光波的波长，限制了光刻工艺中最小可制造的特征尺寸（即分辨率极限）。随着芯片制程的不断演进，传统的DUV光刻技术，逐渐无法满足要求。

于是，就有了EUV光刻机。

EUV光刻机使用极紫外光（Extreme Ultra-Violet，EUV）作为光源，波长仅为13.5nm，远远小于DUV。这使得EUV光刻能够创建更小的特征尺寸，满足先进芯片制程（如7nm、5nm、3nm）的制造需求。

EUV光刻对光束的集中度要求极为严格，工艺精度要求也非常变态。例如，EUV光刻机用于反射的镜子长度为30cm（厘米），表面起伏不得超过0.3nm（纳米）。相当于修一条从北京到上海的铁轨，要求铁轨的起伏不能超过1mm。

极高的技术指标要求，使得EUV光刻机的制造变得非常非常困难。全球范围内能够研发和制造EUV光刻机的企业屈指可数。而居于领先地位的，就是大名鼎鼎的荷兰ASML（阿斯麦）公司。

根据ASML透露的信息，每一台EUV光刻机，拥有10万个零件、4万个螺栓、3千条电线、2公里长软管。EUV光刻机里面的绝大多数零件，都是来自各个国家的最先进产品，例如美国的光栅、德国的镜头、瑞典的轴承、法国的阀件等。

单台EUV光刻机的造价高达1亿美元，重量则为180吨。每次运输，要动用40个货柜、20辆卡车，每次运输需要3架次货机才能运完。每次安装调试，也需要至少一年的时间。

ASML的EUV光刻机产量，一年最高也只有30部，而且还不肯卖给我们。整个芯片产业里面，“卡脖子”最严重的，就是这个EUV光刻机。

█ 刻蚀

好了，继续聊芯片制造流程。

现在，图案虽然是显现出来了，但我们只是去掉了一部分的光刻胶。我们真正要去掉的，是下面的氧化层（未被光刻胶保护的那部分）。

也就是说，我们还要继续往下“挖洞”。

这时要采用的工艺，就是刻蚀。

刻蚀工艺分为湿法刻蚀和干法刻蚀两种。

湿法刻蚀，是将晶圆片浸入到含有特定化学剂的液体溶液中，利用化学反应来溶解掉未被光刻胶保护的半导体结构（氧化膜）。

干法刻蚀，是使用等离子体或者离子束等来对晶圆片进行轰击，将未被保护的半导体结构去除。

刻蚀工艺中，有两个概念需要关注。一是各向同性（各向异性），二是选择比。

如上图所示，湿法刻蚀的时候，会朝各个方向进行刻蚀，这就叫“各向同性”。而干法刻蚀，只朝垂直方向进行刻蚀，叫“各向异性”。显然后者更好。

刻蚀的时候，既刻蚀了氧化层，也刻蚀了光刻胶。在同一刻蚀条件下，光刻胶的刻蚀速率与被刻蚀材料（氧化层）的刻蚀速率之比，就是选择比。显然，我们需要尽可能少刻蚀光刻胶，多刻蚀氧化层。

目前，干法刻蚀占据了主导地位，是业界的优先选择。

因为干法刻蚀具有更强的保真性。而湿法刻蚀的方向难以控制。在类似3nm这样的先进制程中，容易导致线宽减小，甚至损坏电路，进而降低芯片品质。

█ 掺杂（离子注入）

好啦，“挖洞”的工艺，介绍完了。

此时的晶圆表面，已经被刻出了各式各样的沟槽和图形。

接下来，我们再来看看掺杂工艺。

晶体管是芯片的基本组成单元。而每一个晶体管，都是基于PN结。如下图（MOSFET晶体管，NPN）所示，包括了P阱、N阱、沟道、栅极，等等。

前面的光刻和刻蚀，我们只是挖了洞。接下来，我们要基于这些洞，构造出P阱、N阱。

纯硅本身是不导电的，我们需要让不导电的纯硅成为半导体，就必然需要向硅内掺入一些杂质（称为掺杂剂），改变它的电学特性。

例如，向硅材料内掺入磷、锑和砷，就可以得到N阱。掺入硼、铝、镓和铟，就可以得到P阱。

N是有自由电子的。P有很多空穴，也有少量的自由电子。通过在通道上加一个栅极，加一个电压，可以吸引P里面的电子，形成一个电子的通道（沟道）。在两个N加电压，NPN之间就形成了电流。

如下图所示：

图中，底下就是P阱衬底。两个洞是N阱。

也就是说，做这个NPN晶体管时，在最开始氧化之前，就已经采用了离子注入，先把衬底做了硼元素（含少量磷元素）掺杂，变成了P阱衬底。（为了方便阅读，这个步骤我前面没讲。）

现在，挖洞的部分，就可以做磷元素掺杂，变成N阱。

大家看懂了没？掺杂的目的，就是创造PN结，创造晶体管。

掺杂，包括热扩散（Diffusion）和离子注入（Implant）两种工艺。因为热扩散工艺因其难以实现选择性扩散，所以，除特定需求之外，目前大部分都是使用离子注入工艺。

离子注入，就是用高能粒子束，将杂质直接射入到硅片中。

离子源基本上都是注入气体（因为方便操作），例如磷烷（PH3）或者三氟化硼（BF3）。气体通过离化反应室时，被高速电子撞击，气体分子的电子被撞飞，变成离子状态。

此时的离子成分比较复杂，包括硼离子、氟离子等。就要通过质谱分析仪，构建磁场，让离子发生偏转，把需要的离子挑出来（不同的离子，偏转角度不一样），然后撞到晶圆上，完成离子注入。

离子注入机的构造（来源：《半导体制造技术导论》）

此时，二氧化硅层（氧化层）就变成了离子注入的阻挡层。

离子注入之后，需要将硅表面加热到900℃，进行退火。

退火，可以让注入的掺杂离子进一步均匀扩散到硅片中。同时，也可以修复离子注入对晶圆造成的损伤（离子注入时，会破坏硅衬底的晶格）。

█ 薄膜沉积

前面说了那么多，我们都是在“挖洞”。接下来，我们要开始“盖楼”。

我们先看一个成品芯片的架构图（局部示例）：

大家会发现，这是一个非常复杂的立体结构。它有很多很多的层级，有点像大楼，也有点像复杂的立体交通网。

在这个架构的最底下，就是我们前面辛苦打造的硅衬底，也就是基底。

作为芯片大厦的低级，衬底必须有很好的热稳定性和机械性能，还需要起到一定的电学隔离作用，防干扰。

衬底上，是大量的晶体管主体部分。在衬底的上层，是大量的核心元件，例如晶体管的源极、漏极和沟道等关键部分。

FinFET晶体管（鳍式晶体管）

晶体管的栅极，主要采用的是“多晶硅层”。因为多晶硅材料具有更好的导电性和稳定性，适合控制晶体管的开关态。晶体管的源极、漏极、栅极的连接金属，通常是钨。

再往上，我们就需要构建大量的道路（电路），把这些晶体管连接起来，组成复杂的功能电路。

做这个连接电路，当然是金属比较合适。所以，主要用的是铜等金属材料。我们姑且将这层，叫做金属互连层。

全都是金属，当然容易短路。所以，也需要一些绝缘层（膜），把电路隔离开。

在芯片的最上面，一般还要加一个钝化层。钝化层主要发挥保护作用，防止外界（如水汽、杂质等）的污染、氧化和机械损伤。

那么，这么多层，到底是如何搭建起来的呢？

答案就是薄膜沉积。

这一层又一层的架构，其实就是一层又一层的薄膜（厚度在次微米到纳米级之间）。有的是薄金属（导电）膜，有的是介电（绝缘）膜。创造这些膜的工艺，就是沉积。

沉积包括化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和原子层沉积（ALD）。

化学气相沉积 (CVD) 是通过化学反应，生成固态物质，沉积到晶圆上，形成薄膜。它常用来沉积二氧化硅、氮化硅等绝缘薄膜（层）。

化学气相沉积示例

化学气相沉积 (CVD) 的种类非常多。等离子体增强化学气相沉积（PECVD，前面说氧化的时候，也提到它），是借助等离子体产生反应气体的一种先进化学气相沉积方法。

这种方法降低了反应温度，因此非常适合对温度敏感的结构。使用等离子体还可以减少沉积次数，往往可以带来更高质量的薄膜。

物理气相沉积 (PVD) 是一种物理过程。

在真空环境中，氩离子被加速撞击靶材，导致靶材原子被溅射出来，并以雪片状沉积在晶圆表面，形成薄膜，这就是物理气相沉积。它常用来沉积金属薄膜（层），实现电气连接。

溅射沉积示例

通过薄膜沉积技术（如PVD溅射、电镀）形成金属层（如铜、铝）的过程，业内也叫做金属化，或者金属互连。

金属互连包括铝互联和铜互连。铜的电阻更低，可靠性更高（更能抵抗电迁移），所以现在是主流选择。

原子层沉积（ALD），是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法，和普通化学沉积有一些相似。

原子层沉积是交替沉积。它先做一次化学沉积，然后用惰性气体冲掉剩余气体，再通入第二种气体，与吸附在基体表面的第一种气体发生化学反应。生成涂层。如此反复，每次反应只沉积一层原子。

这种方式的优点是非常精确。它可以通过控制沉积周期的次数，实现薄膜厚度的精确控制。

█ 清洗和抛光

在进行光刻、刻蚀、沉积等工艺的过程中，需要反反复复地进行清洗和抛光。

清洗，采用的是高纯度化学溶液，目的是移除其表面残留的杂质和污染物，确保后续工艺的纯净度。

抛光，是消除晶圆表面的起伏和缺陷，提高光刻的精度和金属互联的可靠性，从而实现更高密度更小尺寸的集成电路设计和制造。

上期介绍晶圆制备的时候，我们提到过CMP（化学机械平坦化），也就是采用化学腐蚀、机械研磨相结合的方式，对晶圆表面进行磨抛，实现表面平坦化。

如果没有CMP过程，这个大厦就是一个“歪楼”。后续工艺都没办法进行，做出来的芯片也无法保证品质。

图片来源：网络

█ 反复循环

前面说了，芯片包括几十甚至上百层。

事实上，每一层的搭建，其实就是光刻、蚀刻、沉积、清洗、CMP的反复循环。

如下面的gif动图所示：

慢动作分解：

大家都看明白了没？

经过N次的反复循环，芯片这栋大楼，终于“封顶”啦。撒花！撒花！

别高兴得太早！“封顶”之后，还有很多“善后”工艺呢！

█ 针测（探针测试）

经过前面的工序之后，晶圆上形成了一个个的方形小格，也就是晶粒（Die）。

“Die”这个词，大家第一次看到可能会比较惊讶，这不是“死”的意思嘛。

但实际上，它和“死”没关系。这个“Die”，源自德语“Drahtzug”（拉丝工艺），或与切割动作“Diced”相关。也有说法称，早期的半导体工程师，会用“Die”形容晶圆上切割出的独立单元，如同硬币模具。

大厦封顶，第一件事情，当然是测试。

测试是为了检验半导体芯片的质量是否达到标准。那些测试不合格的晶粒，不会进入封装步骤，有助于节省成本和时间。

电子管芯分选（EDS）是一种针对晶圆的测试方法，通常分为五步，具体如下：

第一步，电气参数监控（EPM）。

EPM会对芯片的每个器件（包括晶体管、电容器和二极管）进行测试，确保其电气参数达标。EPM提供的电气特性数据测试结果，将被用于改善工艺效率和产品性能（并非检测不良产品）。

第二步，晶圆老化测试。

将晶圆置于一定的温度和电压下进行测试，可以找出那些可能发生早期缺陷的产品。

第三步，针测（Chip Probing）。

此时的芯片，因为还没有切割和封装，其管脚（或称为垫片）是直接暴露在外的。

所以，针测，就是利用精密的探针台和探针卡，连接芯片管脚与自动化测试设备（ATE）。

ATE会施加预定的测试信号，检查芯片是否符合预设的性能标准，如工作电压、电流消耗、信号时序以及特定功能的正确执行。针测还可以进行电性测试（检测短路、断路、漏电等缺陷），以及温度、速度和运动测试。

第四步，修补。

没错，有些不良芯片是可以修复的，只需替换掉其中存在问题的元件即可。

第五步，点墨。

未能通过测试的晶粒，需要加上标记。过去，我们需要用特殊墨水标记有缺陷的芯片，保证它们用肉眼即可识别。如今，由系统根据测试数据值，自动进行分拣。

测试之后，芯片制造的前道工艺，就全部完成啦。能坚持看到这里的，都是真爱啊！

总结一下整个过程，如下图所示：

参考文献：

1、《芯片到底是如何制造出来的？》，新石器公园，B站；

2、《超级长文解析芯片制造全流程》，胡说漫漫谈，B站；

3、《用沙子造芯片》，谈三圈，B站；

4、《芯片制造工艺流程.图文详解》，Semika；

5、《芯片制造流程详解》，半导体行业观察；

6、《关于半导体制造过程的步骤、技术和流程的详解》，爱在七夕时，知乎；

7、《一文读懂芯片生产全过程》，芯片半导体；

8、《芯片制造的10个关键步骤》，中制智库；

9、《半导体产品制造的八个步骤》，Lam Research；

10、《半导体制造过程的步骤、技术、流程图》，北港南巷，车规半导体硬件，知乎；

11、《一文读懂芯片生产流程》，Eleanor羊毛衫；

12、《一颗芯片的诞生》，科技朋克Roy；

13、《芯片制造全流程》，周佳，芯助手；

14、《半导体制造技术》，夸克、瑟达、韩郑生，电子工业出版社；

15、《图解入门：半导体制造》，佐藤淳一、王忆文、王姝娅，机械工业出版社；

16、维基百科、youtube、各厂商官网。

来源：鲜枣课堂

编辑：yhc

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