微晶片，即內建電路，是現代科技無處不在的動力引擎。這些微型化晶片上奇迹般的包含了數十億個半導體，它們是計算的基本構模組化塊。創造這些複雜的結構需要精心協調的工程技術和精确技術相結合。
本文深入探讨了微晶片制造的過程，探索了将原始矽轉變為推動我們技術景觀的高度內建晶片的關鍵階段和基本原理。
什麼是微晶片
微晶片的核心是一個令人驚歎的複雜世界，如下圖所示。一層又一層的半導體，每個尺寸僅為十億分之一米，與錯綜複雜的金屬互連網絡協同工作。這些半導體作為電子開關，控制電流的流動以執行支撐計算的邏輯操作。金屬互連通過精心蝕刻在晶片表面，促進半導體之間的通信，實作任務的協調執行。
微細加工所需的極高精度要求一個嚴格控制的環境。我們可以恰當地比喻為制作一個80層的蛋糕，需要精确的測量和嚴格的三個月時間架構。任何材料比例、處理時間或環境條件的偏差都可能導緻整個制造過程失敗。微晶片制造反映了這種細緻入微，要求對數百個精确定義的步驟進行嚴格控制，曆時三個月。
建立分層
為了說明這一過程的複雜性，讓我們專注于在微晶片中建立單層。旅程從在矽晶圓上沉積一層絕緣的二氧化矽開始，矽晶圓是建構晶片的基礎基闆。然後應用一種光敏光刻膠，作為臨時掩模。
使用類似模闆的光掩模和紫外線光，将所需圖案轉移到光刻膠上。這改變了暴露的光刻膠的性質，允許通過蝕刻過程選擇性地去除不需要的區域。暴露的二氧化矽随後讓位于沉積在晶圓上的銅層。最後，表面經過研磨過程，以實作平滑的成品層，剩餘的光刻膠被去除。
盡管這裡簡化了這一過程，但它會重複多次，每層都需要其獨特的設計。可以将其想象為一場複雜的交響樂，其中每個精心執行的步驟都為最終的傑作——晶片，做出貢獻。
FinFET技術
然而，複雜性并未止步于此。現代晶片通常采用鳍式場效應半導體(FinFETs)，由于其複雜的3D和微小(36×52×6 nm)結構，需要額外的制造步驟。
FinFET技術提供了幾個優勢，包括減少漏電流、提高性能(更快的開關速度和更高的工作頻率)以及更小的半導體尺寸。
無塵制造廠
保持一個無塵環境至關重要。即使是微小的塵埃顆粒也可能幹擾制造過程，是以需要頻繁清潔晶圓。定期使用計量工具進行檢查也至關重要，確定每一步都完美執行——任何錯誤都可能導緻整個晶片無法使用。
即使是微小的缺陷也可能導緻晶片無法運作。掃描電子顯微鏡(SEM)在確定這些複雜裝置的品質和功能方面發揮着關鍵作用。
與受限于光波長的傳統光學顯微鏡不同，SEM(下圖)使用聚焦的電子束。這使得SEM能夠實作超過100,000倍的放大，能夠觀察到小至5納米的特征——大約是幾個原子的大小。
我們将焦點轉向微晶片生産的核心：半導體制造廠，或稱fab。在這裡，數百個通常直徑為300毫米(12英寸)的矽晶圓作為建構微晶片的基礎。最多25個晶圓被放置在稱為前開式通用盒的專用載體中，并通過懸挂式運輸系統在整個潔淨室中運輸。
潔淨室本身是一個控制混亂的奇迹。它擁有各種專業工具，每種工具在微細加工過程中都扮演着特定且關鍵的角色。這些工具可以根據其功能進行大緻分類。光刻膠旋轉塗布機、光刻工具、顯影劑和光刻膠剝離器緻力于建立指導後續制造步驟的精細掩模層。沉積工具通過實體氣相沉積等技術在晶圓的特定區域添加銅或絕緣氧化物等材料。
相反，蝕刻工具和化學機械平面化工具去除不需要的材料，以在晶圓表面建立所需的圖案。離子注入器通過引入特定元素來修改矽本身的電學性質，在半導體中建立P和N區域，發揮着關鍵作用。保持清潔至關重要，晶圓清洗機確定晶圓保持無污染。最後，計量工具使用電子顯微鏡等技術仔細檢查晶片是否存在任何缺陷。
建構一個由80層組成的完整晶片需要三個月的時間，從一個工具到另一個工具，每個停留對應于所需的940個處理步驟之一。
一個特别重要的工具是光刻工具，這一工程奇迹使用光掩模，本質上是一個包含晶片層複雜設計的模闆。通過将紫外線光通過這個光掩模照射到塗有光刻膠的晶圓上，光刻工具将納米級設計轉移到晶圓上。這使得能夠在晶圓上建立極其詳細的圖案，形成晶片複雜結構的基礎。然而，這一過程成本高昂。每個光掩模的成本可能高達30萬美元，考慮到單個晶片可能需要80個獨立的光掩模，光刻的成本是巨大的。
從晶圓到可用晶片
從原始矽到功能性微晶片的旅程并不在fab内結束。這一分析隻是微晶片制造非凡故事的第一章。
一旦精細的層疊完成，晶圓變成了一塊點綴着數百個獨立晶片的畫布。這些晶片随後被仔細分離，測試其功能，并包裝以內建到智能手機和計算機等裝置中。
微晶片制造是對人類智慧的證明。這是一個充滿驚人精度的世界，數十億個比塵埃還小的半導體精心協作，驅動我們的數字生活。這一過程中涉及的規模、複雜性和不懈的微型化确實令人敬畏。
總而言之，微晶片制造的世界要複雜得多。半導體實體學的複雜性、下一代半導體設計的開發以及矽晶圓創造的迷人旅程都值得進一步探索。
這一引人入勝的領域繼續推動可能性的邊界，為更強大和多功能的微晶片鋪平道路，這些晶片将塑造技術的未來。
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