【半導體科普】IC 晶片的製造,層層打造的高科技工藝

作者 | 發布日期 2015 年 07 月 25 日 12:00 | 分類 晶片 , 精選 , 零組件 follow us in feedly

在介紹過矽晶圓是什麼東西後,同時,也知道製造 IC 晶片就像是用樂高積木蓋房子一樣,藉由一層又一層的堆疊,創造自己所期望的造型。然而,蓋房子有相當多的步驟,IC 製造也是一樣,製造 IC 究竟有哪些步驟?本文將將就 IC 晶片製造的流程做介紹。



層層堆疊的晶片架構

在開始前,我們要先認識 IC 晶片是什麼。IC,全名積體電路(Integrated Circuit),由它的命名可知它是將設計好的電路,以堆疊的方式組合起來。藉由這個方法,我們可以減少連接電路時所需耗費的面積。下圖為 IC 電路的 3D 圖,從圖中可以看出它的結構就像房子的樑和柱,一層一層堆疊,這也就是為何會將 IC 製造比擬成蓋房子。

IC 3D

▲ IC 晶片的 3D 剖面圖。(Source:Wikipedia

從上圖中 IC 晶片的 3D 剖面圖來看,底部深藍色的部分就是上一篇介紹的晶圓,從這張圖可以更明確的知道,晶圓基板在晶片中扮演的角色是何等重要。至於紅色以及土黃色的部分,則是於 IC 製作時要完成的地方。

首先,在這裡可以將紅色的部分比擬成高樓中的一樓大廳。一樓大廳,是一棟房子的門戶,出入都由這裡,在掌握交通下通常會有較多的機能性。因此,和其他樓層相比,在興建時會比較複雜,需要較多的步驟。在 IC 電路中,這個大廳就是邏輯閘層,它是整顆 IC 中最重要的部分,藉由將多種邏輯閘組合在一起,完成功能齊全的 IC 晶片。

黃色的部分,則像是一般的樓層。和一樓相比,不會有太複雜的構造,而且每層樓在興建時也不會有太多變化。這一層的目的,是將紅色部分的邏輯閘相連在一起。之所以需要這麼多層,是因為有太多線路要連結在一起,在單層無法容納所有的線路下,就要多疊幾層來達成這個目標了。在這之中,不同層的線路會上下相連以滿足接線的需求。

 

分層施工,逐層架構

知道 IC 的構造後,接下來要介紹該如何製作。試想一下,如果要以油漆噴罐做精細作圖時,我們需先割出圖形的遮蓋板,蓋在紙上。接著再將油漆均勻地噴在紙上,待油漆乾後,再將遮板拿開。不斷的重複這個步驟後,便可完成整齊且複雜的圖形。製造 IC 就是以類似的方式,藉由遮蓋的方式一層一層的堆疊起來。

TechNews 2015-07-27 4.10.29 PM

製作 IC 時,可以簡單分成以上 4 種步驟。雖然實際製造時,製造的步驟會有差異,使用的材料也有所不同,但是大體上皆採用類似的原理。這個流程和油漆作畫有些許不同,IC 製造是先塗料再加做遮蓋,油漆作畫則是先遮蓋再作畫。以下將介紹各流程。

  1. 金屬濺鍍:將欲使用的金屬材料均勻灑在晶圓片上,形成一薄膜。
  2. 塗佈光阻:先將光阻材料放在晶圓片上,透過光罩(光罩原理留待下次說明),將光束打在不要的部分上,破壞光阻材料結構。接著,再以化學藥劑將被破壞的材料洗去。
  3. 蝕刻技術:將沒有受光阻保護的矽晶圓,以離子束蝕刻。
  4. 光阻去除:使用去光阻液皆剩下的光阻溶解掉,如此便完成一次流程。

最後便會在一整片晶圓上完成很多 IC 晶片,接下來只要將完成的方形 IC 晶片剪下,便可送到封裝廠做封裝,至於封裝廠是什麼東西?就要待之後再做說明囉。

Wafer

▲ 各種尺寸晶圓的比較。(Source:Wikipedia

最後,附上一段 Intel 的簡易 IC 製造流程,看完這部影片應該會對 IC 製造的流程更有感覺喔。

(Source:YouTube

(首圖來源:Flickr/Rob Bulmahn CC BY 2.0)

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