芯片四大工艺全解析：光刻、注入、薄膜、刻蚀技术详解

在半导体产业蓬勃发展的当下，芯片制造技术无疑是推动其前进的核心动力。本文将深入介绍芯片制造过程中至关重要的四大工艺，即图形化技术（光刻）、掺杂技术、镀膜技术和刻蚀技术。

一、图形化技术（光刻）

光刻工艺作为半导体技术迅猛发展的关键推力之一，起源于印刷技术中的照相制版技术。它能够让人们在微纳尺寸上通过光刻胶呈现各种图形，并结合其他工艺将图形转移至材料上，实现对半导体材料与器件的设计构想。光刻技术使用的光源对图形精度影响显著，常见的光源类型有紫外、深紫外、X 射线以及电子束等，其对应的图形精度依次提升。

标准的光刻工艺流程包含多个精细步骤。首先是表面处理，由于基片表面通常会吸附空气中的 H₂O 分子，不利于光刻效果，所以要进行脱水烘烤。对于亲水性基片，为增强与疏水光刻胶的附着力，需涂一层增黏剂，如六甲基乙硅氮烷（HMDS）与三甲基甲硅烷基二乙胺（TMSDEA）。接着进行匀胶，光刻胶厚度与自身黏性和匀胶转速有关，一般与转速的平方根成反比。匀胶后通过前烘使光刻胶溶剂挥发，提高黏附力。

曝光环节中，光刻胶分为正胶和负胶，性质相反。以正胶为例，未曝光时不溶于显影液，曝光后易溶。曝光时，光源透过掩膜版照射基片，使光刻胶图形化受光。曝光前需精准对准基片与掩膜版，严格控制曝光时长。曝光后有时需烘烤消除驻波影响，再进行显影，将掩膜版图形复制到光刻胶上。显影时长也需严格把控，之后通过坚膜使光刻胶更牢固地附着在基片上，并增加抗刻蚀能力。最后用显微镜检查图形。完成图形转移后，需去除光刻胶，有湿法（用丙酮等有机溶剂溶解）和干法（利用氧等离子体刻蚀）两种方式。

二、掺杂技术

掺杂技术在半导体技术中不可或缺，可改变半导体材料的电学特性。常见的掺杂方式有热扩散和离子注入，行业中多采用离子注入，涉及离子注入和快速退火（RTP）两种工艺。

(1).离子注入：利用高能离子直接轰击半导体基片实现掺杂。与热扩散相比，它具有诸多优势，如通过质量分析器筛选离子确保高掺杂纯度；基片在注入过程中一般保持室温或稍高温度，可选用多种掩蔽膜，使自对准掩蔽技术更灵活；剂量可精确控制，杂质离子分布均匀，重复性高。离子注入深度由离子能量决定，通过控制能量和剂量可操控杂质分布。但需注意避免沟道效应，通常使单晶基片主轴方向偏离注入方向 7° 左右，或在基片表面覆盖无定形介质层。不过，离子注入会对基片晶体结构造成严重损伤，形成间隙 - 空位缺陷对，甚至使部分区域变成非晶区，影响半导体电学性质，因此注入后必须修复晶格损伤与电激活杂质。

(2).快速退火（RTP）：热退火是修复晶格损伤和电激活杂质的有效方法，但传统热退火时间长，会导致杂质扩散严重。RTP 工艺则能在缩短退火时间的同时，很大程度地完成晶格损伤修复与杂质电激活。根据热源不同，RTP 分为扫描电子束、脉冲电子束与离子束、脉冲激光、连续波激光与宽带非相干光源（卤灯、石墨加热器、电弧灯）等类型，其中宽带非相干光源应用最广泛，可在短时间内将基片加热到所需温度，降低杂质扩散程度。

三、镀膜技术

(1).等离子体增强化学气相沉积（PECVD）

PECVD是化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)镀膜方法的其中一种,此外还有另外两种,分别是常压CVD(atmospheric pressure CVD, APCVD)与低压CVD(low pressure CVD, LPCVD)｡

目前,PECVD是三种类型中应用较为广泛的,PECVD利用射频(radio frequency, RF)等离子体引发和保持化学变化,而且该化学变化在非高温环境下就可以进行,所以薄膜沉积温度低,沉积速率高,其设备示意图如下图所示｡

这种方式得到的薄膜具有突出的附着性与电学性质､很低的微孔密度､很高的均匀性以及较强的小尺寸填充能力｡影响PECVD镀膜质量的因素有衬底温度､气流速度､气压､RF功率和频率等｡

(2).溅射

溅射是一种物理气相沉积(physical vapor deposition, PVD)镀膜方法｡带电离子[一般为氩离子(Ar+)]在电场中加速后具备了一定的动能,它们被引向目标靶材并碰撞靶分子,使其脱离靶材而得以溅射出来｡

这些分子也带有一定强度的动能,它们向衬底方向运动并在衬底上沉积｡以上就是溅射镀膜的过程,其设备示意图如所示｡

常用的溅射电源有直流和射频两种,直流溅射可直接应用于金属等导电性良好的材料,而对于绝缘体材料,则只能通过射频溅射的方式才能实现镀膜｡

普通溅射的沉积速率较低,工作气压较高,所镀薄膜的质量不佳,磁控溅射的出现较为理想地解决了这个问题｡它利用外加磁场使离子的运动轨迹由直线变成绕磁场方向螺旋前进的曲线,延长了离子的运动轨迹,提升了与靶分子的碰撞效率,也即提升了溅射效率,使沉积速率升高,工作气压降低,因而镀膜质量得到了很大的提升｡

四、刻蚀技术

刻蚀技术分为干法和湿法两种方式，刻蚀前通常需通过光刻制备掩蔽层保护不需刻蚀的区域。

(1)干法刻蚀：常用的有电感耦合等离子体（ICP）刻蚀、离子束刻蚀（IBE）和反应离子刻蚀（RIE）。ICP 刻蚀利用辉光放电产生的活性游离基与目标材料发生化学反应生成挥发性产物；IBE 是利用高能离子直接轰击目标材料表面；RIE 则结合了两者特点。干法刻蚀的纵向刻蚀速率远大于横向刻蚀速率，纵横比高，可精确复制掩蔽层图形，但对掩蔽层有一定刻蚀效果，选择性较差，尤其是 IBE 可能会无选择地刻蚀材料表面。

(2)湿法腐蚀：将目标材料放入可与之反应的溶液（腐蚀液）中实现刻蚀。这种方式操作简单、成本低廉、选择性好，但纵横比低，掩蔽层边缘下的材料易受腐蚀，不如干法刻蚀精准。为减少低纵横比的负面影响，需选择合适的腐蚀速率，其受腐蚀液浓度、腐蚀时间和腐蚀液温度等因素影响。

综上所述，芯片制造的这四大工艺相互关联、相互影响，每一个环节都对芯片的性能和质量起着至关重要的作用。深入了解和掌握这些工艺技术，对于推动半导体产业的发展具有重要意义。