2 半导体制造
在电子学中半导体器件已经被使用很久了。在19世纪末期第一个固态整流器就被开发出来了。1907年发明的方铅矿晶体检波器被广泛的用来制作晶体收音机。到1947年，在充分理解半导体物理的基础上，Bardeen和Brattain都制作出了第一只双极型晶体管。1959年，Kilby制作的第一块集成电路，从此揭开了现代半导体制造时代的序幕。
制造大量的可靠的半导体器件的障碍本质上来说主要是技术性而不是科学性的。对于制作材料的严苛的纯净度和精确尺寸的控制的要求使得早期的晶体管和集成电路无法发挥他们应有的潜能。早期的器件还不如说是实验室好奇心的产物。大量生产需要的是一种全新的技术，且这种技术还在不断的快速进步。
本章将简单的整体阐述现代集成电路生产的工艺技术。第3章讨论生产特殊型号的模拟集成电路的三种具有代表性的工艺。
2.1 半导体生产
集成电路通常用硅制造，一种非常普遍且分布广泛的元素。石英矿就是一整块二氧化硅，或叫做silica。普通的沙子就是由小石英颗粒组成的，所以它主要也是silica。
尽管硅化物储量丰富，但硅本身不会自然生长。它是通过在电炉里人工加热silica和碳来制得的。碳和原本silica中的氧结合，留下或多或少熔融状态的硅。当它冷却时，无数微小的晶体就形成了，他们又会合成在一起形成有细密纹理的灰色固体。这种硅被称为多晶硅，因为它是由大量晶体组成的。杂质和混乱的晶体结构使这冶金级别的多晶硅不适合半导体制造。
冶金级别的硅能进一步提纯而产生特别纯净的半导体级别物质。净化从把天然硅转化为易挥发性化合物，通常是trichlorosilane，开始。经过反复的蒸馏后，用氢气把特别纯的trichlorosilane还原为硅。最终的产物非常纯净，但仍旧有多晶体。实用的集成电路只能用单晶物质制造，所以下一步就是生长一个适合的晶体。
2.1.1. 晶体的生长
晶体的生长原理非常简单和熟悉。假设在最终要蒸发的饱和溶液中加入一些糖晶体。糖晶体的作用是作为额外的糖分子沉积的种子。最后这个晶体能生长的非常大。晶体的生长即使在缺乏种子的情况下也会发生，但产物中会有混乱的小的intergrown晶体。通过抑制不需要的晶核区，种子的使用能生长更大，更完美的晶体。
理论上，硅晶体的生长方式和糖晶体的一致。实际上，不存在适合硅的溶剂，而且晶体必须在超过1400℃的熔融状态下生长。最终的晶体至少有一米长，十厘米的直径，如果他们要用在半导体工业上的话还必须有接近完美的晶体结构。这些要求使得工艺很有挑战性。
通常生产半导体级别的硅晶体的方法是Czochralski工艺。这个工艺，图2.1，使用装满了半导体级别的多晶体硅的硅坩锅。电炉加热硅坩锅直到所有的硅融化。然后温度慢慢降低，一小块种子晶体被放到坩锅里。受控制的冷却使硅原子一层一层的沉积到种子晶体上。装有种子的棒缓慢的上升，所以只有生长中的晶体的低层部分和熔融的硅有接触。通过这个方法，能从融化的硅中一厘米一厘米的拉出一个大的硅晶体。装有晶体的轴缓慢的旋转，保证生长的均匀性。熔融硅的大表面张力把晶体变成了圆柱形而不是棱柱。
图2.1 生长硅晶体的Czochralski工艺。
为了得到需要的纯度和尺寸的晶体，Czochralski工艺要求精确的控制。自动化系统控制了熔化物质的温度和晶体生长的速度。把少量的掺杂多晶硅加到熔融状态的硅中就能控制晶体中的掺杂浓度。除了故意加入的杂质，silica坩锅里的氧和加热物质中的碳会溶解到熔融状态中的硅，混合
进生长中的晶体。这些杂质会很微妙的改变最终硅的电学特性。一旦晶体生长到它的最终尺寸，它就会从熔融的液体中提起来，慢慢的冷却到室温。最终的单晶硅圆柱体叫做ingot。 由于集成电路只是在硅晶体的表面形成，并不会穿透表面很深，所以ingot通常会被切成很多圆形的薄片，这就是wafer。每片wafer能制作出成百上千甚至上万的集成电路。Wafer越大，能制作的集成电路越多，经济成本也就越低。大多数现代工艺用150mm（6’’）或200mm（8’’）的wafer。通常长度在1到2米的ingot能产生上千片wafer。
2.1.2. wafer的制造
Wafer的制造涉及到一系列的机械工艺。Ingot两头的锥形末端会被切掉。剩下的就被磨成圆柱体，它的直径就决定了最后的wafers的尺寸。研磨后就没有看得见的晶体方向标志了。晶体的方向是由实验确定的，沿着ingot的某个边会磨出一个平面。每个从它上面切下来的wafer就会有一个刻面，或flat，这样就明白无误的指出了晶体的方向。
研磨出flat后，制造商就用带钻石嘴的锯子把ingot切成wafers。这道工艺中，有大于三分之一的宝贵的硅晶体就这样变成了没用的粉尘。由于要经过切割工艺，wafers的表面都是刮痕。由于集成电路的微小的尺寸要求特别光滑的表面，因此wafer的一面必须被抛光。这道工艺开始于机械研磨结束于化学研磨。最终像镜子一样亮的表面是暗灰色的并发出硅特有的接近金属的光泽。
2.1.3. 硅的晶体结构
每片wafer是单个硅晶体的薄片。下面的水晶结构决定了打破时wafer是怎么裂开的。大多数晶体沿着原子间最薄弱的键cleavage plane裂开。比如，钻石晶体在被金属楔强烈敲击后会裂开。合适方向的敲击可以把钻石分成2半，每个都有完美的平整的表面。如果敲击的方向不对，钻石就会粉碎。硅wafer也有它独特的分裂模式，这可以用零碎的wafer和一叠纸和一支木铅笔来说明。把wafer放在记事本上，把记事本放在膝盖上。取一支木头铅笔，并把有橡皮的一端压在wafer的中央。Wafer应该裂成4或6块楔形的小块，很像派的小块（图 2.2）。裂开方式的均匀性证明了wafer是由单晶硅组成的。
图2.3是硅晶体的一个三维模型。在想象的立方体边界里由18个硅原子，它称为unit cell。其中的6个在立方体的6个面的中心。8个在立方体的顶点。两个背靠背的unit cell共享4个顶点原子和一个面中央原子。在所有的边上都有另外的unit cell，这样就在各个方向都拓展了晶体。
图2.2 （100）和（111）硅wafer的典型裂开方式。有些wafers还有第二个更小的flat，用来说明晶体方向和掺杂。这些较小的flats没有画出来。
图2.3 钻石结构unit cell是个改进的面中央立方体结构。面中央的原子是暗灰色的。
当锯条硅ingot锯成wafer时，最后的表面方向和unit cell就决定了许多wafer的特性。比如，一次切削能正好穿过unit cell的一个面或者对角穿过它。这两种切削后的原子模式不同，他们表面形成的器件的电特性也不同。然而，不是所有的穿过硅晶体的切削都肯定是不同的。因为立方体的表面互相之间是不能区分的，穿过unit cell任何面的切削看上去和穿过其他面的是一样的。换句话说，平行于任何unit立方体面的切削平面都有相似的表面。
因为很难用语言描述不同的平面，称为Miller indices的三重数字被用来分配给每个可能的穿过晶体结构的平面（附录 B）。图2.4 是最重要的两种平面方向。平行于立方体面的平面叫做（1
00）面，对角横穿3个顶点的面叫做（111）面。硅wafer要么沿着(100)面要么沿着（111）面切。尽管还有其他切法，他们都没有商业意义。
括号中的Miller indices指出对于晶体平面的垂线的方向。比如，（100）面有一个[100]垂直于它的方向，（111）面有一个[111]垂直于它的方向。附录B讨论了Miller indices是怎么计算的并用来代表他们的不同符号的意思。
图2.4 立方体晶体的（100）和（111）面plane
2.2 光刻
硅wafer仅仅是集成电路制造的第一步。剩下很多步骤是把物质沉积在wafer上或把他们蚀刻掉。有很多复杂的沉积和蚀刻技术，但大多数是没有可选择性的。无选择性，或blanket，工艺会影响整个硅表面而不是部分。少数可选择性工艺太慢或太贵，对大批量的生产是无意义的。一种叫做光刻的技术可以实现可选择性的沉积或蚀刻需要的复杂图形。集成电路生产中大量使用了光刻。
2.2.1 光刻胶
光刻开始于一种称作光刻胶的感光性液体的应用。图形能被映射到光刻胶上，然后用一个devel