科技前沿探秘丛书–图解芯片制造技术

芯片制造技术，尤其是高端芯片的制造，成为人们广泛关注的“卡脖子”技术，本书邀请专业人士，通过图表和文字配合，介绍了芯片是怎么制造出来的？核心的技术有哪些？高端芯片为什么难以制造？大型光刻机为什么难以制造？芯片未来的发展之路在何方？等问题。

芯片是近年来备受关注的高科技产品，在电子、航空航天、机械、船舶、仪表等领域发挥着不可替代的作用。本书围绕芯片制造技术展开，从单晶硅晶体的拉制讲起，介绍了多种硅晶体的沉积和拉制、切割技术，着重介绍了光刻技术和光刻设备，并简要介绍了集成电路封装技术。本书适宜对芯片技术感兴趣的读者参考。

吴元庆，男，1982年，辽宁庄河人，满族，博士，渤海大学物理科学与技术学院副教授。2003年本科毕业于西安电子科技大学电子科学与技术专业，2012年毕业于天津大学微电子学与固体电子学专业获博士学位。主要研究方向为微机电系统的设计与制造，微电子器件的设计等。主讲课程包括《微电子学概论》《微电子专业导读》《EDA技术与版图设计》《太阳能电池材料与器件》等课程。参与“863”项目一项、“973”子项目一项，天津市基金项目两项，主持产学研协同育人项目6项，参与完成“蓝火计划”产学研合作项目1项，主持渤海大学博士科研启动基金项目1项，在相关领域发表论文多篇，专利多项。

第1章　集成电路简介
1.1　集成电路制造技术简介3
1.2　集成电路芯片发展历程4
1.3　集成电路的发展规律——摩尔定律7
1.4　集成电路的分类9
1.5　芯片制造工艺10
1.6　芯片制造要求12
1.6.1　超净环境12
1.6.2　超纯材料14

第2章　硅片的制备
2.1　硅材料的性质17
2.2　多晶硅的制备17
2.2.1　冶炼18
2.2.2　提纯18
2.3　单晶硅生长20
2.3.1　直拉法20
2.3.2　磁控直拉法26
2.3.3　悬浮区熔法28
2.4　切制硅片29
2.4.1　切片工艺29
2.4.2　硅片规格及用途31
2.5　硅片的缺陷32

第3章  氧化
3.1　二氧化硅的结构35
3.2　二氧化硅的物理化学性质37
3.3　二氧化硅在集成电路中的作用37
3.4　硅的热氧化39
3.4.1　热氧化的反应原理39
3.4.2　常用的硅热氧化工艺41
3.4.3　热氧化工艺流程43
3.4.4　热氧化规律45
3.4.5　其他氧化方式46

第4章  扩散
4.1　杂质的扩散类型50
4.1.1　替位式扩散50
4.1.2　间隙式扩散52
4.1.3　间隙-替位式扩散52
4.2　扩散系数53
4.3　扩散掺杂55
4.3.1　恒定表面源扩散55
4.3.2　限定表面源扩散56
4.3.3　两步扩散工艺56
4.4　缺陷对扩散的影响57
4.4.1　氧化增强扩散57
4.4.2　发射区推进效应58
4.4.3　横向扩散效应59
4.5　扩散方式60
4.5.1　气态源扩散60
4.5.2　液态源扩散61
4.5.3　固态源扩散62

第5章  离子注入
5.1　离子注入的特点64
5.2　离子注入原理65
5.2.1　离子注入的行程65
5.2.2　注入离子的碰撞67
5.3　注入离子在靶中的分布68
5.3.1　纵向分布69
5.3.2　横向效应69
5.3.3　单晶靶中的沟道效应70
5.3.4　离子质量的影响71
5.4　注入损伤73
5.5　退火74
5.6　离子注入设备与工艺79
5.6.1　离子注入机79
5.6.2　离子注入工艺79
5.7　离子注入的其他应用81
5.7.1　浅结的形成81
5.7.2　调整MOS晶体管的阈值电压81
5.7.3　自对准金属栅结构82
5.8　离子注入与热扩散比较83

第6章  化学气相沉积CVD
6.1　CVD概述85
6.2　CVD工艺原理86
6.2.1　薄膜沉积过程86
6.2.2　薄膜质量控制86
6.3　CVD工艺方法89
6.3.1　常压化学气相沉积90
6.3.2　低压化学气相沉积91
6.3.3　等离子增强化学气相沉积93
6.3.4　CVD工艺方法的进展98
6.4　薄膜的沉积98
6.4.1　氮化硅的性质99
6.4.2　多晶硅薄膜的应用100
6.4.3　CVD金属及金属化合物101

第7章  物理气相沉积PVD
7.1  PVD概述104
7.2  真空系统及真空的获得105
7.3  真空蒸镀107
7.3.1  工艺原理107
7.3.2  蒸镀设备109
7.3.3  多组分蒸镀工艺112
7.3.4  蒸镀薄膜的质量控制114
7.4  溅射115
7.4.1  工艺原理116
7.4.2  溅射方式120
7.4.3  溅射薄膜的质量及改善123
7.5  金属与铜互连引线126

第8章  光刻
8.1  概述133
8.2  基本光刻工艺流程137
8.2.1  底膜处理137
8.2.2  涂胶138
8.2.3  前烘139
8.2.4  曝光140
8.2.5  显影142
8.2.6  坚膜144
8.2.7  显影检验145
8.2.8  去胶145
8.2.9  最终检验145
8.3  光刻掩模版147
8.4  光刻胶149
8.5  光学分辨率增强技术152
8.5.1  离轴照明技术152
8.5.2  移相掩模技术154
8.5.3  光学邻近效应校正技术156
8.6  紫外光曝光技术157
8.6.1  接触式曝光158
8.6.2  接近式曝光159
8.6.3  投影式曝光159
8.6.4  其他曝光技术162

第9章  刻蚀技术
9.1  概述166
9.2  湿法刻蚀168
9.2.1  硅的湿法刻蚀168
9.2.2  二氧化硅的湿法刻蚀170
9.2.3  氮化硅的湿法刻蚀170
9.2.4  铝的湿法刻蚀171
9.3  干法刻蚀171
9.3.1  刻蚀参数174
9.3.2  典型材料的干法刻蚀176

第10章  外延
10.1 概述178
10.1.1  外延概念178
10.1.2  外延工艺种类179
10.2  气相外延工艺181
10.2.1  外延原理182
10.2.2  外延的影响因素185
10.2.3  外延掺杂188
10.2.4  外延技术191
10.3  分子束外延192
10.4  其他外延方法194
10.4.1  液相外延194
10.4.2  固相外延195
10.4.3  金属有机物气相外延195
10.4.4  化学束外延196

第11章  集成电路工艺与封装
11.1  隔离工艺199
11.2  双极型集成电路工艺201
11.3  CMOS电路工艺流程203
11.4  芯片封装技术204
11.4.1  封装的作用和地位204
11.4.2  引线连接205
11.4.3  几种典型封装技术207

参考文献211

信息时代的特征性材料是硅，如今，以硅为原料的电子元件产值超过了以钢为原料的工业产值，人类的历史因而正式进入了一个新时代——硅器时代。
硅所代表的正是半导体元件，包括存储器件、微处理器、逻辑器件与探测器等，无论是电视、电话、电脑、电冰箱还是汽车、大型装备，其中的半导体器件都无时无刻不在为我们服务。硅是地壳中最常见的元素之一，把砂子变成硅片的过程是一项点石成金的成就，也是近代科学的奇迹之一。
近几年，受个人电脑和手机市场逐渐饱和的影响，全球集成电路市场的增长步伐放缓。而在中国，集成电路产业作为信息产业的基础和核心组成部分，成为关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业，在宏观政策扶持和市场需求提升的双轮驱动下快速发展。
从市场需求角度分析，消费电子、高速发展的计算机和网络通信等工业市场、智能物联行业成为国内集成电路行业下游的主要应用领域，智能手机、平板电脑、智能盒子等消费电子的升级换代，将持续保持对芯片的旺盛需求；传统产业的转型升级，大型、复杂化的自动化、智能化工业设备的开发应用，将加速对芯片需求的提升；智能零售、汽车电子、智能安防、人工智能等应用场景的持续拓展，进一步丰富了芯片的应用领域。因此，我们编写本书，旨在令广大科技爱好者对于芯片的制造技术有一个浅显而全面的了解，对于其中的核心技术，尤其是一些“卡脖子”技术有较为充分的认识，既看到我国芯片产业的蓬勃生机和不断成长，又了解当今高新技术的研发前沿和未来的发展方向。
由于芯片产业发展迅猛，作者的水平有限，书中不足之处，请读者不吝赐教。

吴元庆