我们如何制造半导体

芯片这一半导体产品或集成电路 (IC) 的原材料是硅，而硅正是地球上最丰富的材料之一——沙子的基本组成要素。硅是半导体，在一些情况下导电，在另一些情况下不导电，这使它能够起到开关的作用。起开关作用的基本电路元件是晶体管，它是电子电路的基本结构单元，开/关动作即是我们所理解的数字设备的 0 和 1。IC 工艺能够将数百万晶体管集成在一块芯片上，从而形成无比复杂的电路。

第一道重要工序是净化硅，因为任何缺陷或不需要的杂质都可能使电路不可用。接下来是将纯度接近 100% 的硅熔化，并将一个理想的硅“种”晶体放入其中。由此可得到直径 300 毫米（对于最新的设备而言）的单晶硅长棒（晶锭）。这项工作由专业制造商完成，然后他们对晶锭裸晶圆（基板）进行精确切割并交付给我们半导体制造商。

芯片分层制造，层数可能多达 24 层，单块微芯片含有数百万晶体管，有时甚至含有十亿以上的晶体管。基本制造工艺在原理上很简单，但在制造细节上却极其复杂。电路必须达到不可思议的精确度，要求每一次开关动作均能快速、准确地完成。将信号传送到线路中的下一个晶体管本身就是一个重大问题，芯片上纵横交错的金属轨道必须彼此绝缘并与其它电路绝缘。

在前端作业中，工艺的起点通常是空白硅晶圆。本质上，半导体制造是使用化学物质在晶圆上添加和删除层来创建电路。这样，在微芯片内形成电路的互连层得以在晶圆上建立并复制。虽然确切的工艺取决于所使用的技术和电路的复杂程度，但主要的几项工序则是共同的。

首先是在硅晶圆上生长绝缘硅二极管（沙）。然后将精确数量的杂质（掺杂剂）扩散到或以离子形式植入硅中，以改变各晶体管的电气特性。

正是这些杂质使得硅如此有用，而且使用光刻“遮罩”可以将杂质置于晶圆上任何需要它的地方。光刻原理与从底片冲印照片相同。芯片图像在数层中形成图案，每一层的图像均在晶圆的光致蚀刻剂上曝光，然后进行显影。对于没有被光致蚀刻剂覆盖的区域，可以利用等离子体或化学蚀刻剂蚀刻掉，以及/或者添加掺杂剂以改变其电气特性。

晶体管之间的互连由金属化过程实现。这一工序中也会形成将芯片本身与封装引线相连的焊垫，从而使芯片能与世界沟通。然后如有必要，还会通过化学机械抛光 (CMP) 工序将整个晶圆平面化，以提供保护层。最后会对晶圆进行测试，确保电路按照设计的那样工作。

后端作业通过四个步骤来组装元件：1) “晶粒制备”，将晶圆切割成单个集成电路或晶片；2) “晶粒安装”，将晶粒安装在封装的支撑结构上（例如引线架）；3) “焊接”，将电路连接到封装的电气触点上，从而与外部世界沟通；4) “封装”，通常是通过塑料模压，为电路提供物理和化学保护。

后续步骤是形成封装的最终形状，随封装不同而不同。标识和引线精加工等步骤则使产品拥有自己的身份，并提高可靠性。

组装完毕后，集成电路便可以使用。但是，许多过程都可能出错而使元件失效，例如：晶粒可能具有与晶圆制造相关的缺陷，晶粒可能在组装过程中开裂，焊接可能连接不良或根本没有连接。因此，在将组装后的元件交付给客户之前，先必须进行电气测试。

对于表面安装元件，随后一般是用口袋包装在胶带中，胶带则缠绕在卷筒上。然后根据客户要求将卷筒、托盘或管道装箱、贴标签，交付给客户。