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杜中一 著

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• 集成电路
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• 工艺
• 半导体
• 芯片
• 电子工程
• 微电子学
• 器件
• 封装
• 测试

出版社： 化学工业出版社

ISBN：9787122262844

版次：1

商品编码：11894126

包装：平装

开本：16开

出版时间：2016-03-01

用纸：胶版纸

页数：172

字数：210000

正文语种：中文

内容简介

　　《集成电路制造技术》全面系统地介绍了集成电路制造技术，内容包括集成电路制造概述、多晶半导体的制备、单晶半导体的制备、晶圆制备、薄膜制备、金属有机物化学气相沉积、光刻、刻蚀及掺杂。《集成电路制造技术》简要介绍了集成电路制造的基本理论基础，系统介绍了多晶半导体、单晶半导体与晶圆的制备，详细介绍了薄膜制备、光刻与刻蚀及掺杂等工艺。由于目前光电产业的不断发展，对于化合物半导体的使用越来越多，《集成电路制造技术》以半导体硅材料集成电路制造为主，兼顾化合物半导体材料集成电路制造，比如在介绍薄膜制备工艺中，《集成电路制造技术》用单独的一章介绍了如何通过金属有机物化学气相沉积来制备化合物半导体材料薄膜。
　　《集成电路制造技术》可供集成电路制造行业从业人员学习参考，也可作为微电子、光电子等相关专业教材。

作者简介

　　杜中一，大连职业技术学院，副院长，副教授
　　研究方向：电子科学与技术
　　一．.教育背景
　　1997.9—2001.7 辽宁石油化工大学计算机科学专业，获理工学士学位。
　　2003.9—2006.7 大连理工大学机电专业，获工学硕士学位。
　　二．著译作品
　　(1) 主编《SMT表面组装技术》电子工业出版社 2009年1月
　　(2) 主编《电子制造与封装》电子工业出版社 2010年3月
　　(3) 主编《半导体技术基础》化学工业出版社 2011年1月
　　(4) 主编《电类专业英语》电子工业出版社 2012年11月
　　三．业务成果
　　主持完成省级及以上科研课题5项。
　　在全国性刊物发表学术论文26篇，其中ISTP收录1篇，北大核心2篇。
　　专利4项。
　　横向课题3项。

目录

第1章集成电路制造概述1
1.1半导体工业发展概述1
1.2半导体材料基础4
1.3半导体生产污染控制11
1.4纯水的制备15

第2章多晶半导体的制备20
2.1工业硅的生产20
2.2三氯氢硅还原制备高纯硅21
2.3硅烷热分解法制备高纯硅26

第3章单晶半导体的制备30
3.1单晶硅的基本知识30
3.2直拉法制备单晶硅的设备及材料35
3.3直拉单晶硅的工艺流程43
3.4拉单晶过程中的异常情况及晶棒检测48
3.5悬浮区熔法制备单晶硅57
3.6化合物半导体单晶的制备59

第4章晶圆制备64
4.1晶圆制备工艺64
4.2晶圆的清洗、质量检测及包装72

第5章薄膜制备77
5.1氧化法制备二氧化硅膜77
5.2化学气相沉积法制备薄膜83
5.3物理气相沉积法制备薄膜88
5.4金属化及平坦化90

第6章金属有机物化学气相沉积96
6.1金属有机物化学气相沉积概述96
6.2金属有机物化学气相沉积设备100
6.3金属有机物化学气相沉积工艺控制和半导体薄膜的生长107
6.4金属有机物化学气相沉积生长的半导体薄膜质量检测109

第7章光刻113
7.1光刻概述113
7.2光刻工艺120

第8章刻蚀135
8.1刻蚀技术概述135
8.2干法刻蚀141
8.3等离子体刻蚀144
8.4反应离子刻蚀与离子束溅射刻蚀151
8.5湿法刻蚀154

第9章掺杂159
9.1热扩散159
9.2离子注入技术165

参考文献172

前言/序言

《精工细琢：芯片铸造的艺术与科学》 在当今高度互联的世界里，信息以前所未有的速度流动，数字技术渗透到生活的方方面面，而这一切的基石，正是那些微小却又蕴含无穷智慧的集成电路。它们是智能手机的心脏，是超级计算机的大脑，是自动驾驶汽车的神经系统，更是我们探索宇宙、解读生命奥秘的强大工具。然而，这些令人惊叹的科技奇迹，并非凭空而来，它们是人类智慧与不懈探索的结晶，是无数科学家、工程师倾注心血、反复钻研的成果。 《精工细琢：芯片铸造的艺术与科学》并非一本讲述集成电路制造技术具体流程的教科书，它更像是一扇窗口，引领读者深入探究芯片制造背后那引人入胜的“前世今生”。本书不聚焦于刻蚀、光刻、掺杂等具体工艺步骤的细节，而是将目光投向更宏观的层面，深入剖析了支撑集成电路产业蓬勃发展的关键要素，展现了这项复杂而迷人的技术所蕴含的艺术与科学魅力。 第一篇：硅土的重生——从自然到科技基石 在芯片诞生的起点，是沉默而古老的硅。本书的第一篇将带领读者走进硅的神秘世界。我们追溯硅元素在地壳中的分布，了解其化学性质，以及为何它成为了半导体材料的王者。从提纯高纯度硅晶体的艰辛历程，到孕育出完美无瑕的硅晶圆的严苛工艺，本书将呈现一个宏大而精妙的转化过程。 地壳的馈赠，硅的潜能： 探讨硅在自然界中的存在形式，以及其独特的电学和物理特性，解释为何它能承载人类对微电子世界的无限想象。 纯粹的追求，晶莹的诞生： 详细阐述从石英砂到电子级高纯度硅材料的提纯过程，揭示化学工程的精妙与挑战。 圆的哲学，圆的奇迹： 介绍单晶硅的生长技术，如柴氏法，强调晶体结构的完美性对后续工艺的重要性，以及如何将粗糙的硅块锻造成直径可达数十厘米、厚度仅为毫米级的、表面如镜般光滑的硅晶圆。这里涉及到的材料科学、热力学以及控制工程的知识，将以通俗易懂的方式呈现。 第二篇：微观世界的雕刻家——设计的智慧与创新的引擎 在拥有了洁净的硅基底后，如何在这块“画布”上绘制出亿万晶体管的精密蓝图，是集成电路制造的核心挑战之一。本书的第二篇将聚焦于集成电路的设计层面，深入剖析“芯片如何被构想出来”。它将介绍芯片设计的整体流程，以及其中蕴含的逻辑思维、数学模型和艺术般的创造力。 逻辑的殿堂，功能的蓝图： 介绍数字逻辑设计的基本原理，从布尔代数到逻辑门，再到复杂的功能模块，展现如何将抽象的计算指令转化为具体的电路结构。 算法的魔术，性能的优化： 探讨算法设计在芯片性能提升中的关键作用，例如如何在有限的资源下实现更快的运算速度、更低的功耗。 验证的严谨，可靠的保障： 详细阐述芯片验证的重要性，以及各种仿真和形式化验证技术的应用，确保每一个设计都能够稳定可靠地工作。 异构的交响，多核的协同： 探讨现代集成电路设计中日益重要的异构计算概念，以及不同类型处理器（CPU、GPU、NPU等）如何协同工作，共同完成复杂的任务。 摩尔定律的延伸，创新设计的驱动力： 讨论在工艺不断进步的背景下，设计者如何不断突破思维的边界，创造出更高效、更智能的芯片架构。 第三篇：光影的魔术——绘制微观世界的精密艺术 如果说硅晶圆是画布，那么集成电路的设计蓝图则是画笔。而将这蓝图“印制”在硅晶圆上的过程，则是一场惊心动魄的光影魔术。本书的第三篇将深入探讨光刻技术，这被誉为“集成电路制造之母”的核心工艺，展现其如何以亚微米甚至纳米级的精度，在硅表面“雕刻”出沟槽和连接。 光的粒子，图样的显现： 介绍光刻的基本原理，包括光源的选择（如深紫外光、极紫外光），掩模版（光罩）的作用，以及光化学反应在图形转移中的应用。 透镜的折射，精密的聚焦： 详细解析光学系统的构成，特别是投影光刻机中复杂的光学透镜系统，如何将掩模版上的图形精确地缩小并聚焦到硅晶圆表面。 化学的响应，亚纳米的精度： 深入讲解光刻胶的特性，以及在光照后产生的化学变化，如何使图案在显影过程中显现出来。这部分将触及高分子化学和光化学的交叉领域。 挑战的极限，超越纳米的疆界： 探讨光刻技术所面临的衍射限制和工艺挑战，以及先进光刻技术（如多重曝光、计算光刻）如何突破物理极限，实现更精密的图形制造。 第四篇：物质的变形——塑造晶体管的灵魂 在光刻技术绘制出图案后，接下来的工艺便是根据这些图案，对硅材料进行“塑形”和“改性”，最终形成构成集成电路基本单元——晶体管的器件结构。本书的第四篇将聚焦于这些“物质变形”的关键技术，它们如同塑造雕塑的精工细琢，赋予了芯片生命。 物质的移除，空腔的形成： 介绍干法刻蚀（等离子体刻蚀）和湿法刻蚀技术，解释它们如何精确地去除不需要的材料，形成精密的沟槽和隔离结构。 层层的堆叠，物质的沉积： 探讨物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）等薄膜沉积技术，如何为晶体管的栅极、绝缘层和金属互连线沉积各种功能材料。 杂质的注入，电性的激活： 详细阐述离子注入和扩散技术，如何精确地控制掺杂剂的种类和浓度，从而改变硅的导电性能，形成P型和N型半导体区域，构建出晶体管的核心。 绝缘的守护，漏电的屏蔽： 讲解各种绝缘材料（如二氧化硅、氮化硅）的制备和应用，它们在隔离不同器件、防止信号串扰中起着至关重要的作用。 第五篇：连接的艺术——构建芯片的神经网络 当数以亿计的晶体管在硅片上“就位”后，它们并非孤立存在，而是需要通过极其复杂的金属互连网络连接起来，才能协同工作，完成芯片设计的各项功能。本书的第五篇将深入探讨这种“连接的艺术”，揭示微观世界中的“城市交通系统”。 金属的脉络，信号的河流： 介绍金属互连技术，特别是铜互连的出现如何大幅提升了信号传输速度和集成密度。 阻挡与扩散，连接的坚固： 讲解阻挡层和扩散阻挡层的作用，它们如何防止金属原子扩散到硅中，保证互连的可靠性。 平坦的表面，多层的结构： 介绍化学机械抛光（CMP）技术，它如何确保多层互连结构的平坦性，为后续层数的制造奠定基础。 电阻的挑战，信号的损耗： 讨论互连线电阻对信号传输的影响，以及如何通过优化线宽、线距和材料来减小损耗。 封装的保护，外接的桥梁： 介绍芯片封装的基本原理和发展趋势，它不仅保护芯片免受物理和化学损伤，更是芯片与外部世界通信的接口。 第六篇：质量的守护神——检验与可靠性的保障 一项集成电路产品的成功，离不开严格的质量控制和可靠性保障。本书的第六篇将聚焦于这些“守护神”般的存在，它们确保了每一枚芯片都能够按照设计的要求，在预期的寿命内稳定运行。 显微镜下的真理，缺陷的追溯： 介绍各种检测设备和技术，如光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM），以及它们在识别和分析芯片缺陷中的作用。 电子的侦探，逻辑的审判： 探讨电学参数测试，如何通过测量电路的各项电性能参数，来判断芯片的功能是否正常。 时间的考验，环境的试炼： 详细阐述可靠性测试方法，如加速老化测试、温度循环测试、湿度测试等，如何模拟芯片在实际使用环境中的各种极端条件，预测其寿命。 数据驱动的优化，工艺的持续改进： 介绍如何利用测试和检验过程中收集的海量数据，对制造工艺进行分析和优化，不断提升芯片的良率和性能。 第七篇：未来的图景——创新与挑战的永恒旋律 集成电路技术的发展从未停止，每一次突破都引领着科技革命的浪潮。《精工细琢：芯片铸造的艺术与科学》的最后一篇，将展望集成电路产业的未来，探讨当前面临的挑战，以及前沿技术的发展方向。 超越几何的限制，新材料的探索： 讨论在传统硅基材料面临物理极限时，新兴材料（如二维材料、III-V族化合物）在下一代半导体器件中的潜力。 人工智能的赋能，智能制造的飞跃： 探讨人工智能（AI）和机器学习（ML）如何在芯片设计、制造过程控制、缺陷检测等方面发挥越来越重要的作用。 可持续的追求，绿色制造的使命： 关注集成电路制造过程中对环境的影响，以及行业在节能减排、资源循环利用方面的努力。 量子计算的曙光，后摩尔时代的序章： 展望量子计算等颠覆性技术的出现，可能为集成电路产业带来怎样的变革，以及传统的CMOS技术将如何演进以适应新的计算范式。 《精工细琢：芯片铸造的艺术与科学》并非一本枯燥的技术手册，它以引人入胜的叙事方式，将科学原理、工程挑战、历史演进和未来趋势巧妙地融合在一起。通过阅读本书，读者将能够深刻理解集成电路制造背后那令人敬畏的精密工艺，感受人类智慧的伟大力量，以及这项关乎我们未来发展的重要技术所蕴含的无限魅力。本书致力于为所有对科技发展充满好奇心，想要深入了解现代数字世界运行机制的读者，提供一次深刻而富有启发性的探索之旅。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验非常独特，它不像一般的技术书籍那样枯燥乏累，而是充满了探索的乐趣。我之前对集成电路的认识仅限于“芯片”这个概念，对它具体的制造过程几乎一无所知。这本书就像一位优秀的向导，带领我深入到半导体制造的每一个环节。它从最基础的材料纯化开始，循序渐进地讲解了晶圆的生长、切割，再到核心的“光刻”工艺，书中对各种光学原理和化学反应的解释都非常清晰易懂，甚至让我这个非专业人士也能大概理解其中的奥妙。尤其让我印象深刻的是对“刻蚀”过程的描述，它如何利用化学或物理方法，在 wafer 上精确地“雕刻”出复杂的电路图案，这简直是微观世界的建筑艺术。书中还探讨了不同材料在芯片中的应用，比如金属互连层和绝缘层的选择，以及它们如何协同工作来保证信号的传输。这本书让我意识到，每一个小小的电子设备背后，都隐藏着如此复杂而精密的制造流程，而这背后凝聚了人类在材料、物理、化学、工程等多个领域顶尖的智慧和技术。它不仅增长了我的知识，更让我对科技发展充满了敬畏之情。

评分☆☆☆☆☆

这套书真的让我大开眼界！作为一个对电子产品充满好奇的普通爱好者，我一直对手机、电脑里那些小小的芯片是怎么造出来的感到无比神秘。以前我总觉得那是极其高深、普通人根本不可能理解的领域，但这本书却用一种非常生动、易懂的方式，把我带入了集成电路制造的奇妙世界。从最开始的硅晶圆的提纯，到光刻、刻蚀、离子注入等一系列复杂又精密的工艺步骤，作者都娓娓道来，仿佛就在我眼前上演一场微观世界的“造物记”。书中那些看似复杂的化学反应和物理原理，都被解释得清晰透彻，甚至还穿插了一些历史故事和行业趣闻，让我在学习专业知识的同时，也能感受到这项伟大工程背后的人文魅力。我尤其喜欢其中对“摩尔定律”的解读，它不仅仅是数字的堆砌，更是一种技术进步的驱动力和人类不断挑战极限的精神象征。读完之后，我对手机里那个小小的处理器不再是冰冷的科技产品，而是一个凝聚了无数智慧和汗水的精巧艺术品，我仿佛能听到它在讲述着自己的“前世今生”。这本书的图片和插图也十分精美，很多流程图清晰直观，帮助我更好地理解那些复杂的设备和操作。虽然我并不是专业人士，但这本书让我获得了前所未有的知识满足感，也让我对科技的未来充满了更多期待。

评分☆☆☆☆☆

这是一本让我彻底颠覆了对半导体行业认知的手册。我原本以为集成电路制造就是一些机械臂在无菌室里组装零件，没想到它背后是一整套极其复杂、跨学科的科学体系。这本书的深度和广度都超出了我的预期，它系统地讲解了从材料选择、晶圆制备、光刻技术、刻蚀工艺、薄膜沉积，到互连技术、测试与封装等几乎所有核心环节。其中关于光刻的章节尤其令人印象深刻，它详细阐述了不同波长光源（如深紫外光、极紫外光）的演进，以及光刻胶、掩模版等关键要素的作用，让我明白了为什么光刻是集成电路制造中最具挑战性和成本最高的环节之一。书中对化学工艺的描述也十分到位，比如湿法刻蚀和干法刻蚀的区别，以及各种刻蚀剂的化学原理，让我对微纳尺度的化学反应有了全新的认识。此外，它还探讨了如何通过各种技术手段来提高集成电路的集成度和性能，比如多层互连、3D堆叠等，这些都是未来技术发展的关键方向。这本书的专业性非常强，但作者并没有因此而牺牲可读性，而是通过大量的图表、示意图和案例分析，将枯燥的技术概念具象化，使得即使是初学者也能循序渐进地理解。对于任何想要深入了解半导体制造的人来说，这本书无疑是一本不可多得的宝藏。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，一开始拿到这本书，我以为会是一本非常枯燥、充满专业术语的教科书，抱着“了解一下”的心态翻开。但出乎意料的是，这本书的叙述方式非常吸引人，它不是平铺直叙地罗列知识点，而是通过一种“探秘”的口吻，引领我一点点揭开集成电路制造的面纱。书中对于每一个关键工艺的介绍，都像是在讲述一个精巧的设计故事。例如，在讲解“离子注入”时，它不仅仅告诉我这是一个什么样的过程，还详细分析了为什么需要用高能量的离子去轰击硅片，以及不同的离子类型和注入参数会带来怎样的电学特性变化。这种“为什么”和“怎么样”的结合，让我能够更深入地理解技术背后的逻辑。而且，书中对各种制造设备的介绍也十分生动，我甚至能想象到那些巨大的、精密复杂的机器在无尘车间里如何精确地执行指令，仿佛置身于一场高科技的“交响乐”。它还提到了工艺控制的重要性，比如如何通过各种传感器和反馈系统来确保每一道工序的精度，以及良率提升的技术挑战。这本书让我看到了科学家和工程师们是如何通过不断的创新和优化，将微小的硅片变成驱动现代社会的“大脑”。

评分☆☆☆☆☆

我一直对科学技术的“幕后故事”很感兴趣，而这本书无疑为我打开了一扇了解集成电路制造的窗口。它不仅仅是一本技术手册，更是一部关于人类智慧和工程极限的史诗。书中对于材料科学和物理原理的阐述，虽然基础但却至关重要，它解释了为什么硅是制造集成电路的理想材料，以及晶体缺陷是如何影响芯片性能的。我特别喜欢关于“光刻”工艺的讲解，不仅仅是原理，更包括了不同代际光刻技术的演进，从早期接触式到步进式，再到现在的EUV光刻，每一个技术的突破都标志着人类在分辨率和精度上的巨大飞跃，这背后是无数科学家和工程师的智慧结晶。书中也提到了“良率”这个概念，它让我了解到，即使是最先进的制造工艺，也面临着如何最大化生产合格产品的挑战，这是一种“精益求精”的工匠精神的体现。而且，书中对“EDA工具”的介绍，让我明白了设计和制造是如何紧密结合的，没有强大的设计软件，再先进的制造设备也难以发挥作用。这本书的叙事方式，让我感觉像是在和一位经验丰富的工程师聊天，他会耐心地解释每一个细节，并分享他对这个行业的深刻见解。