芯片是近年來(lái)備受關(guān)注的高科技產(chǎn)品，在電子、航空航天、機(jī)械、船舶、儀表等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。本書圍繞芯片制造技術(shù)展開，從單晶硅晶體的拉制講起，介紹了多種硅晶體的沉積和拉制、切割技術(shù)，著重介紹了光刻技術(shù)和光刻設(shè)備，并簡(jiǎn)要介紹了集成電路封裝技術(shù)。本書適宜對(duì)芯片技術(shù)感興趣的讀者參考。
芯片制造技術(shù)，尤其是高端芯片的制造，成為人們廣泛關(guān)注的卡脖子技術(shù)，本書邀請(qǐng)專業(yè)人士，通過(guò)圖表和文字配合，介紹了芯片是怎么制造出來(lái)的？核心的技術(shù)有哪些？高端芯片為什么難以制造？大型光刻機(jī)為什么難以制造？芯片未來(lái)的發(fā)展之路在何方？等問(wèn)題。
信息時(shí)代的特征性材料是硅，如今，以硅為原料的電子元件產(chǎn)值超過(guò)了以鋼為原料的工業(yè)產(chǎn)值，人類的歷史因而正式進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代硅器時(shí)代。
硅所代表的正是半導(dǎo)體元件，包括存儲(chǔ)器件、微處理器、邏輯器件與探測(cè)器等，無(wú)論是電視、電話、電腦、電冰箱還是汽車、大型裝備，其中的半導(dǎo)體器件都無(wú)時(shí)無(wú)刻不在為我們服務(wù)。硅是地殼中最常見的元素之一，把砂子變成硅片的過(guò)程是一項(xiàng)點(diǎn)石成金的成就，也是近代科學(xué)的奇跡之一。
近幾年，受個(gè)人電腦和手機(jī)市場(chǎng)逐漸飽和的影響，全球集成電路市場(chǎng)的增長(zhǎng)步伐放緩。而在中國(guó)，集成電路產(chǎn)業(yè)作為信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和核心組成部分，成為關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展全局的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，在宏觀政策扶持和市場(chǎng)需求提升的雙輪驅(qū)動(dòng)下快速發(fā)展。
從市場(chǎng)需求角度分析，消費(fèi)電子、高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信等工業(yè)市場(chǎng)、智能物聯(lián)行業(yè)成為國(guó)內(nèi)集成電路行業(yè)下游的主要應(yīng)用領(lǐng)域，智能手機(jī)、平板電腦、智能盒子等消費(fèi)電子的升級(jí)換代，將持續(xù)保持對(duì)芯片的旺盛需求；傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，大型、復(fù)雜化的自動(dòng)化、智能化工業(yè)設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用，將加速對(duì)芯片需求的提升；智能零售、汽車電子、智能安防、人工智能等應(yīng)用場(chǎng)景的持續(xù)拓展，進(jìn)一步豐富了芯片的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，我們編寫本書，旨在令廣大科技愛好者對(duì)于芯片的制造技術(shù)有一個(gè)淺顯而全面的了解，對(duì)于其中的核心技術(shù)，尤其是一些卡脖子技術(shù)有較為充分的認(rèn)識(shí)，既看到我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的蓬勃生機(jī)和不斷成長(zhǎng)，又了解當(dāng)今高新技術(shù)的研發(fā)前沿和未來(lái)的發(fā)展方向。
由于芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，作者的水平有限，書中不足之處，請(qǐng)讀者不吝賜教。
吳元慶
吳元慶，男，1982年，遼寧莊河人，滿族，博士，渤海大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授。2003年本科畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，2012年畢業(yè)于天津大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)獲博士學(xué)位。主要研究方向?yàn)槲C(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造，微電子器件的設(shè)計(jì)等。主講課程包括《微電子學(xué)概論》《微電子專業(yè)導(dǎo)讀》《EDA技術(shù)與版圖設(shè)計(jì)》《太陽(yáng)能電池材料與器件》等課程。參與863項(xiàng)目一項(xiàng)、973子項(xiàng)目一項(xiàng)，天津市基金項(xiàng)目?jī)身?xiàng)，主持產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人項(xiàng)目6項(xiàng)，參與完成藍(lán)火計(jì)劃產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目1項(xiàng)，主持渤海大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目1項(xiàng)，在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表論文多篇，專利多項(xiàng)。
第1章 集成電路簡(jiǎn)介
1.1 集成電路制造技術(shù)簡(jiǎn)介3
1.2 集成電路芯片發(fā)展歷程4
1.3 集成電路的發(fā)展規(guī)律摩爾定律7
1.4 集成電路的分類9
1.5 芯片制造工藝10
1.6 芯片制造要求12
1.6.1 超凈環(huán)境12
1.6.2 超純材料14
第2章 硅片的制備
2.1 硅材料的性質(zhì)17
2.2 多晶硅的制備17
2.2.1 冶煉18
2.2.2 提純18
2.3 單晶硅生長(zhǎng)20
2.3.1 直拉法20
2.3.2 磁控直拉法26
2.3.3 懸浮區(qū)熔法28
2.4 切制硅片29
2.4.1 切片工藝29
2.4.2 硅片規(guī)格及用途31
2.5 硅片的缺陷32
第3章 氧化
3.1 二氧化硅的結(jié)構(gòu)35
3.2 二氧化硅的物理化學(xué)性質(zhì)37
3.3 二氧化硅在集成電路中的作用37
3.4 硅的熱氧化39
3.4.1 熱氧化的反應(yīng)原理39
3.4.2 常用的硅熱氧化工藝41
3.4.3 熱氧化工藝流程43
3.4.4 熱氧化規(guī)律45
3.4.5 其他氧化方式46
第4章 擴(kuò)散
4.1 雜質(zhì)的擴(kuò)散類型50
4.1.1 替位式擴(kuò)散50
4.1.2 間隙式擴(kuò)散52
4.1.3 間隙-替位式擴(kuò)散52
4.2 擴(kuò)散系數(shù)53
4.3 擴(kuò)散摻雜55
4.3.1 恒定表面源擴(kuò)散55
4.3.2 限定表面源擴(kuò)散56
4.3.3 兩步擴(kuò)散工藝56
4.4 缺陷對(duì)擴(kuò)散的影響57
4.4.1 氧化增強(qiáng)擴(kuò)散57
4.4.2 發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)58
4.4.3 橫向擴(kuò)散效應(yīng)59
4.5 擴(kuò)散方式60
4.5.1 氣態(tài)源擴(kuò)散60
4.5.2 液態(tài)源擴(kuò)散61
4.5.3 固態(tài)源擴(kuò)散62
第5章 離子注入
5.1 離子注入的特點(diǎn)64
5.2 離子注入原理65
5.2.1 離子注入的行程65
5.2.2 注入離子的碰撞67
5.3 注入離子在靶中的分布68
5.3.1 縱向分布69
5.3.2 橫向效應(yīng)69
5.3.3 單晶靶中的溝道效應(yīng)70
5.3.4 離子質(zhì)量的影響71
5.4 注入損傷73
5.5 退火74
5.6 離子注入設(shè)備與工藝79
5.6.1 離子注入機(jī)79
5.6.2 離子注入工藝79
5.7 離子注入的其他應(yīng)用81
5.7.1 淺結(jié)的形成81
5.7.2 調(diào)整MOS晶體管的閾值電壓81
5.7.3 自對(duì)準(zhǔn)金屬柵結(jié)構(gòu)82
5.8 離子注入與熱擴(kuò)散比較83
第6章 化學(xué)氣相沉積CVD
6.1 CVD概述85
6.2 CVD工藝原理86
6.2.1 薄膜沉積過(guò)程86
6.2.2 薄膜質(zhì)量控制86
6.3 CVD工藝方法89
6.3.1 常壓化學(xué)氣相沉積90
6.3.2 低壓化學(xué)氣相沉積91
6.3.3 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積93
6.3.4 CVD工藝方法的進(jìn)展98
6.4 薄膜的沉積98
6.4.1 氮化硅的性質(zhì)99
6.4.2 多晶硅薄膜的應(yīng)用100
6.4.3 CVD金屬及金屬化合物101
第7章 物理氣相沉積PVD
7.1 PVD概述104
7.2 真空系統(tǒng)及真空的獲得105
7.3 真空蒸鍍107
7.3.1 工藝原理107
7.3.2 蒸鍍?cè)O(shè)備109
7.3.3 多組分蒸鍍工藝112
7.3.4 蒸鍍薄膜的質(zhì)量控制114
7.4 濺射115
7.4.1 工藝原理116
7.4.2 濺射方式120
7.4.3 濺射薄膜的質(zhì)量及改善123
7.5 金屬與銅互連引線126
第8章 光刻
8.1 概述133
8.2 基本光刻工藝流程137
8.2.1 底膜處理137
8.2.2 涂膠138
8.2.3 前烘139
8.2.4 曝光140
8.2.5 顯影142
8.2.6 堅(jiān)膜144
8.2.7 顯影檢驗(yàn)145
8.2.8 去膠145
8.2.9 最終檢驗(yàn)145
8.3 光刻掩模版147
8.4 光刻膠149
8.5 光學(xué)分辨率增強(qiáng)技術(shù)152
8.5.1 離軸照明技術(shù)152
8.5.2 移相掩模技術(shù)154
8.5.3 光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)156
8.6 紫外光曝光技術(shù)157
8.6.1 接觸式曝光158
8.6.2 接近式曝光159
8.6.3 投影式曝光159
8.6.4 其他曝光技術(shù)162
第9章 刻蝕技術(shù)
9.1 概述166
9.2 濕法刻蝕168
9.2.1 硅的濕法刻蝕168
9.2.2 二氧化硅的濕法刻蝕170
9.2.3 氮化硅的濕法刻蝕170
9.2.4 鋁的濕法刻蝕171
9.3 干法刻蝕171
9.3.1 刻蝕參數(shù)174
9.3.2 典型材料的干法刻蝕176
第10章 外延
10.1 概述178
10.1.1 外延概念178
10.1.2 外延工藝種類179
10.2 氣相外延工藝181
10.2.1 外延原理182
10.2.2 外延的影響因素185
10.2.3 外延摻雜188
10.2.4 外延技術(shù)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 金屬有機(jī)物氣相外延195
10.4.4 化學(xué)束外延196
第11章 集成電路工藝與封裝
11.1 隔離工藝199
11.2 雙極型集成電路工藝201
11.3 CMOS電路工藝流程203
11.4 芯片封裝技術(shù)204
11.4.1 封裝的作用和地位204
11.4.2 引線連接205
11.4.3 幾種典型封裝技術(shù)207
參考文獻(xiàn)211
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