半导体制造流程（一）硅制造与光刻技术

1、硅制造

集成电路通常采用单晶硅制造，自然界中硅多存在于化合物中，如石英砂和石英石，首先需要初步提纯获得冶金级多晶硅，可以采用硅石和碳在电路中加热方法制备，然后将获取的多晶硅转化为易挥发的化合物，比如三氯硅烷，反复蒸馏提纯，再借助氢气将三氯硅烷还原为硅单质，此时得到的就是纯度更高的半导体级多晶硅，要获得单晶硅还需要进行下一步的晶体生长。

1.1、晶体生长

常用的生长半导体级硅晶体的方法为Czochralski工艺，用电炉加热盛有半导体级多晶硅的石英坩埚，使所有的硅熔化，然后略微降低温度，将一小块籽晶（作为晶体生长的中心）伸入坩埚，熔融物冷却会这么好在籽晶上，缓慢拉升旋转，可以获得圆柱形的单晶硅，称为硅锭，将硅锭切片获得晶圆。

1.2、晶圆制造

将硅锭两个锥形头切除，剩下的硅锭在一侧磨出条状平面，切下的每片晶圆都保留一个平边，通过它来判断晶向(晶体中任意两个原子之间的连线称为原子列，所指方向为晶向)。

打磨平面后，用金刚石刀口的锯将硅锭切成晶圆，锯的过程产生的划痕和麻点经过机械和化学抛光工艺消除。

2、光刻技术

生产晶圆只是集成电路制造的第一步，后面还需要在晶圆上沉积材料或刻除，光刻技术允许复杂图形的照相式复制，可以用于选择性阻挡沉积或刻蚀。

2.1、光刻胶

光刻胶是一种光敏乳胶剂，图像可以转移到光刻胶上，再用显影剂制作所需要的掩模图形。通常将少量光刻胶滴在晶圆中心，晶圆则固定在每分钟几千转的转盘上，离心力让光刻胶均匀分散在晶圆上，直到达到理想厚度，溶剂挥发，光刻胶留在晶圆上，涂胶的晶圆对一定波长的光非常敏感（特别是紫光UV）。

光刻胶可以分为负胶和正胶，由于负胶在显影过程中有膨胀趋势，所以多用正胶，正胶在紫外光下发生化学分解，从而变得可溶于显影液，因此曝光区域被显影液冲洗掉，未曝光区域则保留涂层。

2.2、光掩模和掩模板

光刻技术主要采用一中类似于扩大照相底片的投影印刷技术，透镜对紫外光进行校准，掩模板阻挡光束通路，仅从透明部分通过，如图所示，对准掩模图形与晶圆上已经存在的图形使用的定位器。

通常掩模板的图像尺寸是晶圆上图像的5倍到10倍，光学收缩能有效减少光掩模的瑕疵，改善最终的成像质量，掩模板可以直接拿来光刻，但是掩模板尺寸过大定位器就无法匹配，所以使用步进掩模板定位器的方式进行光掩模。

2.3、光刻

用合适的显影剂喷射曝光晶圆，溶解部分光刻胶从而暴露晶圆表面，淀积和刻蚀只影响暴露区域，这样处理后，可以用更具腐蚀性的溶剂将光刻胶拨除，或者在氧气氛围中采用反应离子刻蚀对光刻胶进行化学破坏，这步称为定影。