半導體芯片集成電路（IC）工藝是現代電子技術的核心，涉及從硅材料到復雜電路制造的多個精密步驟。以下是關鍵工藝的概述：

1. 晶圓制備

材料：高純度單晶硅（純度達99.9999999%），通過直拉法（Czochralski）生長為圓柱形硅錠。

切割與拋光：硅錠切割成0.5-1mm厚的晶圓（常見尺寸12英寸/300mm），經化學機械拋光（CMP）達到納米級平整度。

2. 氧化工藝

熱氧化：在高溫（800-1200°C）下通入氧氣或水蒸氣，生成二氧化硅（SiO?）絕緣層，厚度可控在幾納米到微米級。

應用：作為晶體管柵極介質、隔離層或掩膜。

3. 光刻（Lithography）

涂膠：旋轉涂布光刻膠（正膠/負膠），厚度約0.1-2μm。

曝光：使用紫外光（DUV，波長193nm）或極紫外光（EUV，13.5nm）通過掩膜版（Reticle）轉移圖形，先進制程需多重曝光。

顯影：溶解曝光區域（正膠）或未曝光區域（負膠），形成三維圖形。

4. 刻蝕（Etching）

濕法刻蝕：使用HF等化學溶液，各向同性，精度較低。

干法刻蝕（等離子體刻蝕）：通過離子轟擊實現各向異性，精度達納米級（如反應離子刻蝕RIE）。

5. 摻雜（Doping）

擴散法：高溫（>1000°C）下使磷、硼等雜質擴散入硅，形成PN結。

離子注入：高能離子（1-200keV）轟擊硅表面，摻雜深度和濃度精準可控（如晶體管源/漏區）。

6. 薄膜沉積

CVD（化學氣相沉積）：

LPCVD（低壓CVD）：沉積多晶硅、氮化硅。

PECVD（等離子體增強CVD）：低溫沉積絕緣層。

PVD（物理氣相沉積）：濺射法沉積金屬（Al、Cu）或阻擋層（TaN/TiN）。

ALD（原子層沉積）：逐層生長，用于高介電材料（HfO?）等納米級薄膜。

7. 金屬互連（Back End of Line, BEOL）

Damascene工藝（主流銅互連）：

刻蝕介質層形成溝槽。

沉積Ta/TaN阻擋層（防銅擴散）。

電鍍銅填充溝槽。

CMP去除多余銅，實現平面化。

多層堆疊：先進芯片含10-15層金屬，線寬縮至幾納米。

8. 測試與封裝

晶圓測試：用探針卡檢測電路功能，標記缺陷芯片。

切割：激光或金剛石刀將晶圓分割為單個芯片（Die）。

封裝：

引線鍵合：金線連接芯片與引腳。

倒裝焊（Flip-Chip）：錫球直接焊接至基板，提升密度。

先進封裝：2.5D/3D封裝（TSV硅通孔）、Chiplet異構集成。

關鍵工藝節點與技術趨勢

節點演進：從28nm平面晶體管到FinFET（16/7/5nm），再到GAAFET（3nm及以下）。

EUV光刻：ASML EUV光刻機（13.5nm光源）實現單次曝光7nm以下圖形。

新材料：鈷互連（替代銅）、Low-k介質（降低寄生電容）。

挑戰：量子隧穿效應（柵極氧化層<1nm）、熱管理、制造成本（3nm晶圓廠投資超200億美元）。