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理研計(jì)器 | 半導(dǎo)體制造工藝全解析，氣體檢測(cè)不可或缺~
發(fā)布時(shí)間：2024-04-11
半導(dǎo)體制造工藝全解析
隨著科技的不斷進(jìn)步，半導(dǎo)體技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如計(jì)算機(jī)、手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品甚至人工智能等。半導(dǎo)體工藝是半導(dǎo)體器件制造過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。
那么半導(dǎo)體究竟是怎樣被制造出來(lái)的呢？今天就跟著理研計(jì)器一起來(lái)看一下▼▼▼
01
晶圓制備，畫布開(kāi)始：
半導(dǎo)體工藝的第一步，就是制造晶圓，晶圓是一種很薄而且非常光滑的半導(dǎo)體材料圓片，是集成電路的“畫布”。一切后續(xù)的半導(dǎo)體工藝都是在這個(gè)“畫布”上展開(kāi)。
以硅基晶圓為例，半導(dǎo)體晶圓的主要制備步驟有：硅提煉及提純、單晶硅生長(zhǎng)、晶圓成型。
晶圓制備完成后，半導(dǎo)體的畫布就形成了，后續(xù)半導(dǎo)體工藝由此開(kāi)始。
02
氧化工藝，制作鎧甲：
在半導(dǎo)體電路中，除了用于可控導(dǎo)電的各種二極管、三極管外，還必須要用絕緣物質(zhì)將不同的電路隔離開(kāi)來(lái)，對(duì)于硅基元素來(lái)說(shuō)，形成這種絕緣物質(zhì)最方便的方法就是將硅進(jìn)行氧化，形成二氧化硅（SiO2）了。通過(guò)氧化工藝，脆弱的硅基晶圓就像穿上了一層“鎧甲”。
氧化工藝是指在半導(dǎo)體晶片表面形成氧化層的過(guò)程，氧化層可以增強(qiáng)晶片的絕緣性能，并且可以作為蝕刻掩膜、電介質(zhì)、層間絕緣等多種用途，常見(jiàn)的氧化工藝有濕法氧化和干法氧化兩種。
在半導(dǎo)體工藝中，氧化工藝非常重要，它為后續(xù)的制造步驟提供了基礎(chǔ)和保障，氧化層不僅可以隔離和保護(hù)硅晶圓，還可以作為掩膜層來(lái)定義電路圖案，沒(méi)有氧化層，半導(dǎo)體器件就無(wú)法實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠性和高集成度。
03
光刻蝕刻，圖案繪制：
有了畫布素材，終于可以任由芯片設(shè)計(jì)師揮毫潑墨，自由創(chuàng)作了，光刻和刻蝕步驟就是將芯片設(shè)計(jì)師所設(shè)計(jì)的圖案，轉(zhuǎn)移到晶圓片上的過(guò)程。通過(guò)光刻及刻蝕步驟，就可以將希望的圖形，在晶圓片上真正實(shí)現(xiàn)。
光刻
完成圖案轉(zhuǎn)移
光刻技術(shù)是一種將掩模板（Mask）上的圖形轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的晶圓片上的技術(shù)。光刻技術(shù)可以將半導(dǎo)體表面上特定的區(qū)域去除或者保留，從而構(gòu)建半導(dǎo)體器件。
光刻步驟主要包括：設(shè)計(jì)電路并制作掩模板、涂光刻膠、曝光、顯影與堅(jiān)膜。
蝕刻
形成圖案
經(jīng)過(guò)了光刻步驟之后，所需要的圖案已經(jīng)被印在了晶圓表面的光刻膠上。但要實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件的制作，還需要把半導(dǎo)體器件按照光刻膠的圖形復(fù)刻出來(lái)。這個(gè)復(fù)刻的過(guò)程就叫刻蝕（Etching）。
半導(dǎo)體刻蝕方法分為兩類，分別是濕法刻蝕和干法刻蝕。
04
摻雜工藝，注入靈魂：
摻雜工藝是半導(dǎo)體工藝中的靈魂工藝，電路中各半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能在此步驟形成。在此步驟之前，整片晶圓不過(guò)是一片冷冰冰的材料一片，過(guò)了此步驟，才有了各種各樣的二極管、三極管、CMOS以及電阻等，至此，從沙子而來(lái)的晶圓片終于有了靈魂。
摻雜工藝是半導(dǎo)體工藝中最核心和最基礎(chǔ)的技術(shù)之一，對(duì)于半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和制造具有決定性的影響，實(shí)現(xiàn)摻雜的主要方法有兩種，即熱擴(kuò)散和離子注入。
01
熱擴(kuò)散是在高溫下（約1000℃）將半導(dǎo)體暴露在一定摻雜元素的氣態(tài)下，利用化學(xué)反應(yīng)和熱運(yùn)動(dòng)使雜質(zhì)原子擴(kuò)散到半導(dǎo)體表層的過(guò)程；
02
離子注入是將雜質(zhì)原子電離成離子，用高能量的電場(chǎng)加速，然后直接轟擊半導(dǎo)體表面，使雜質(zhì)原子“擠”進(jìn)到晶體內(nèi)部的過(guò)程；
05
薄膜沉積，阡陌交通：
薄膜工藝就是指在半導(dǎo)體晶晶圓片上沉積各種材料，以實(shí)現(xiàn)不同電路功能或特性的過(guò)程，各個(gè)半導(dǎo)體器件之間或是金屬連接，或是電場(chǎng)聯(lián)系，均需要用這些薄膜層實(shí)現(xiàn)。
沉積：晶圓畫布上的噴涂刷
沉積工藝就像是噴涂刷，將涂料均勻的薄薄噴灑在晶圓表面上，沉積主要分為物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）。
01
PVD是利用物理方法，將材料源氣化成氣態(tài)原子、分子，或電離成離子，并通過(guò)低壓氣體，在基體表現(xiàn)沉積成薄膜的過(guò)程。一般用來(lái)沉積金屬薄膜。
02
CVD是利用含有薄膜元素的一種或幾種氣相化合物，在襯底表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成薄膜的方法。一般用于沉積半導(dǎo)體或絕緣體，以及金屬合金等。
拋光：噴涂后的找平
拋光就是用于晶圓表面薄膜層平整化的技術(shù)。拋光工藝中，最主要的工藝是CMP（化學(xué)機(jī)械拋光），CMP是一種利用化學(xué)腐蝕和機(jī)械摩擦的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)晶圓表面平坦化的技術(shù)，研磨對(duì)象主要是淺溝槽隔離(STI)，層間膜和銅互連層等。
以上就是芯片制造中的主要工藝（以硅基半導(dǎo)體為主要參考），芯片的制造工藝是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，每個(gè)步驟都對(duì)半導(dǎo)體性能和功能有重要影響。
半導(dǎo)體行業(yè)迅猛發(fā)展，在其生產(chǎn)過(guò)程中所需氣體使用量也在不斷加大，上述的不同工藝中就用不各種各樣不同的特種氣體，現(xiàn)如今半導(dǎo)行業(yè)體特種氣體品類更加多樣化，其中不乏一些易燃?xì)怏w以及對(duì)人體產(chǎn)生危害的有毒有害氣體，如何保證生產(chǎn)過(guò)程中的氣體使用安全，也是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。
如何預(yù)防半導(dǎo)體行業(yè)易燃、有毒有害氣體
半導(dǎo)體制造業(yè)被美國(guó)(FMS)組織列為”極高風(fēng)險(xiǎn)”的行業(yè)，主要是因?yàn)樗谥瞥讨幸褂玫綐O高毒性、腐蝕性及易燃性氣體，再加上無(wú)塵室的密閉作業(yè)環(huán)境及回風(fēng)系統(tǒng)，所有這些因素都大大增加了半導(dǎo)體廠房的風(fēng)險(xiǎn)。
作為半導(dǎo)體晶圓代工廠氣體的使用者，每一位工作人員都應(yīng)該在使用前對(duì)各種危險(xiǎn)氣體的安全數(shù)據(jù)加以了解，并且應(yīng)該知道如何應(yīng)對(duì)這些氣體外泄時(shí)的緊急處理程序。
根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《特種氣體系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50646-2011和《有毒氣體檢測(cè)報(bào)警儀技術(shù)條件及檢驗(yàn)方法》HG23006中的有關(guān)規(guī)定，同時(shí)結(jié)合半導(dǎo)體工廠使用氣體檢測(cè)裝置產(chǎn)品的快速響應(yīng)要求作出檢測(cè)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間規(guī)定：
要求處于抽風(fēng)口或環(huán)境點(diǎn)安裝毒性氣體偵測(cè)器及系統(tǒng)，若發(fā)生任何有毒氣體的泄漏將會(huì)被氣體偵測(cè)系統(tǒng)所偵測(cè)到，這個(gè)控制系統(tǒng)將根據(jù)氣體外泄對(duì)人體危害的大小來(lái)確定整個(gè)氣體輸送系統(tǒng)的相關(guān)互鎖動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)緊急關(guān)閉上游所有氣源，同時(shí)會(huì)驅(qū)動(dòng)中央控制室和現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)報(bào)警系統(tǒng)LAU，甚至?xí)?qū)動(dòng)全廠的自動(dòng)語(yǔ)音廣播系統(tǒng)通知立即疏散，要求相關(guān)人員迅速撤離報(bào)警區(qū)域。
半導(dǎo)體行業(yè)在生產(chǎn)、制造、工藝等方面或多或少都會(huì)涉及到易燃易爆、有毒有害氣體，為避免這些危險(xiǎn)氣體泄漏等導(dǎo)致的事故，半導(dǎo)體行業(yè)用氣體檢測(cè)儀的使用不可或缺。
理研計(jì)器半導(dǎo)體行業(yè)危險(xiǎn)氣體檢測(cè)方案
氣體檢測(cè)儀在現(xiàn)今半導(dǎo)體工業(yè)已成為必備的環(huán)境監(jiān)控儀器，也是最為直接的監(jiān)測(cè)工具。
理研計(jì)器一直關(guān)注半導(dǎo)體制造行業(yè)的安全發(fā)展，以為人們營(yíng)造安全的工作環(huán)境為使命，潛心開(kāi)發(fā)適用于半導(dǎo)體行業(yè)的氣體傳感器，針對(duì)用戶遇到的各種問(wèn)題，提供合理的解決方案，不斷升級(jí)產(chǎn)品功能，優(yōu)化系統(tǒng)。
結(jié)語(yǔ)
半導(dǎo)體制造業(yè)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)經(jīng)常要使用到極高毒性，腐蝕性及易燃性氣體，氣體檢測(cè)系統(tǒng)一直是半導(dǎo)體芯片廠廠務(wù)各系統(tǒng)中最重要環(huán)節(jié)之一，設(shè)計(jì)上的優(yōu)劣會(huì)直接影響到整個(gè)廠的安全，同時(shí)作為使用儀器的工廠安全人員也應(yīng)該具備氣體檢測(cè)的安全意識(shí)。
安全生產(chǎn)是關(guān)系人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的大事，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的標(biāo)志。在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)安裝氣體檢測(cè)報(bào)警裝置，時(shí)刻檢測(cè)有毒有害氣體泄漏濃度，將風(fēng)險(xiǎn)隱患控制在源頭。
理研計(jì)器擁有600多種氣體傳感器和100多種氣體探測(cè)器。未來(lái)，我們?nèi)詫⒉粩嚅_(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、研發(fā)各項(xiàng)新功能，使得氣體檢測(cè)儀在應(yīng)用上更先進(jìn)、更適合日新月異的市場(chǎng)環(huán)境，致力于為用戶提供一個(gè)可靠、準(zhǔn)確、安全的氣體檢測(cè)方案。
理研計(jì)器必將在未來(lái)氣體產(chǎn)業(yè)的生命安全畫卷中，添上濃墨重彩的一筆，守護(hù)人們的幸福生活，為生產(chǎn)和生活不斷創(chuàng)造新價(jià)值！為用戶選配適合原理的檢測(cè)儀，用成熟的工藝完善氣體檢測(cè)系統(tǒng)。