微電子制造和組件組裝是任何射頻產(chǎn)品生產(chǎn)鏈的關(guān)鍵步驟，因?yàn)樗鼪Q定了產(chǎn)品的上市時(shí)間以及可以在有限的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)周期的次數(shù)。 微電子制造是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)橹圃斓慕M件的小尺寸和它可以包括的特性，使得微電子制造容易受到環(huán)境，熱和電氣條件的影響。 了解這些挑戰(zhàn)和許多其他挑戰(zhàn)，導(dǎo)致微電子工藝工程作為一門獨(dú)立的學(xué)科出現(xiàn)，以應(yīng)對(duì)這一領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和迅速進(jìn)步。
從CAD設(shè)計(jì)開始，最終以工作器件結(jié)束，需要遵循許多制造步驟和程序。 對(duì)于高產(chǎn)量和高直通率的目標(biāo)，這些步驟需要徹底驗(yàn)證，以提供一致的結(jié)果，從而可以鎖定這一特定器件的工藝過(guò)程。 工藝實(shí)驗(yàn)可以包括材料選擇的幾個(gè)試驗(yàn)，材料層的生長(zhǎng)方法，層對(duì)層的對(duì)齊方法，以及材料圖案化方法。從一個(gè)制造商到另一個(gè)制造商， 每一個(gè)都可以是不同的，為任何人創(chuàng)造了大量的空間來(lái)發(fā)明新的工藝制成技術(shù)。 為了應(yīng)對(duì)微電子制造的復(fù)雜性，具有不同背景的個(gè)人（例如物理、化學(xué)、電氣、機(jī)械工程和材料科學(xué)）和最新技術(shù)和設(shè)備的培訓(xùn)技能通常協(xié)同參與工作，以使這一工藝取得成功。
光刻（Photolithography fabrication）是通過(guò)光波將圖案從版圖或掩模轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體晶圓表面的工藝。 圖案的轉(zhuǎn)移機(jī)制首先使用一種光敏聚合物材料，稱為光刻膠圖案，其形狀定義在掩模上。 一旦圖案從掩模轉(zhuǎn)移到光刻膠，然后使用干法或濕法蝕刻方法將圖案從光刻膠轉(zhuǎn)移到晶圓的表面。 這個(gè)工藝本身由幾個(gè)步驟組成，需要建立幾個(gè)工具。 圖1所示的圖表概述了基本的光刻步驟，并簡(jiǎn)要地解釋了每一步。
晶圓清洗通常是通過(guò)一套標(biāo)準(zhǔn)的步驟來(lái)進(jìn)行的，并從將晶圓運(yùn)行到溶劑中以清潔晶圓表面可能存在的顆粒和有機(jī)殘留物開始的：
圖1、 光刻工藝流程中涉及的基本步驟
接下來(lái)，晶片被徹底浸泡在去離子水(DI， deionized water)中，以去除任何剩余的溶劑，然后再進(jìn)行RCA清潔。 該RCA清潔氧化晶圓提供一層薄的氧化物保護(hù)層到晶圓表面。 然后將晶圓浸泡在氫氟酸(HF，hydrofluoric acid)中，以去除晶圓表面的氧化層。 最后，晶圓被DI沖洗，然后用氮?dú)獯蹈伞?/p>
薄膜材料的沉積通常采用化學(xué)氣相沉積(CVD， chemical vapor deposition)或物理氣相沉積(PVD，physical vapor deposition)。 作為一個(gè)概念，這兩種涂層工藝的應(yīng)用都非常廣泛。 半導(dǎo)體制造商通常采用更具體的衍生技術(shù)。 PVD使用純?cè)床牧希ㄟ^(guò)蒸發(fā)氣化。 PVD熱供應(yīng)是通過(guò)應(yīng)用大功率電或激光燒蝕來(lái)完成的。 然后，蒸發(fā)材料將通過(guò)真空擴(kuò)散到基片襯底表面，以產(chǎn)生所需的薄膜。 然而，CVD不需要純?cè)床牧希摬牧吓c揮發(fā)性前體混合作為材料載體。 然后，在一定溫度下，通過(guò)氣體輸送系統(tǒng)將涂層材料注入包圍襯底基片的反應(yīng)室。 然后，蒸氣物質(zhì)與底物反應(yīng)并最終沉積在其上。 在這個(gè)階段，前驅(qū)體材料分解并離開沉積在襯底中的材料。 CVD工藝比PVD工藝需要更高的溫度。 根據(jù)應(yīng)用的不同，因?yàn)閹讉€(gè)工藝制成方面的因素，如工藝復(fù)雜性、所需的薄膜厚度、原材料的可用性和成本原因，一種方法可能比另一種方法更好。 為此，在清洗晶圓后，屏障或鈍化層，如二氧化硅(SiO)2 通常沉積在晶圓的表面。
然后，利用標(biāo)準(zhǔn)自旋涂層技術(shù)將光刻膠層應(yīng)用于晶圓的表面，通過(guò)每分鐘幾千輪(RPM)高速旋轉(zhuǎn)的晶圓基板產(chǎn)生離心力，能夠均勻地將光刻膠層分布在晶圓表面。 根據(jù)對(duì)外加光的反應(yīng)，光刻膠可分為正抗蝕劑或負(fù)抗蝕劑。 在正抗蝕劑中，暴露在外加光下的抗蝕劑是可溶解的部分，因此可以通過(guò)光刻膠顯影液去除，而未暴露的抗蝕劑部分仍然不溶。 負(fù)光刻膠的作用方式與正抗蝕劑相反。 在這兩者之間，正抗蝕劑變得更加流行，因?yàn)樗鼈優(yōu)樾缀翁卣魈峁┝讼鄬?duì)更好的過(guò)程可控性。
其次，軟烘焙被用來(lái)去除所有溶劑后，光刻膠涂層工藝，在那里光刻膠變得光敏，因此軟烘焙是決定光成像質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。
在應(yīng)用第一個(gè)光掩模后，每個(gè)后續(xù)掩模必須與前一個(gè)掩模對(duì)齊，以便能夠準(zhǔn)確地將圖案轉(zhuǎn)移到晶圓表面。 掩模對(duì)準(zhǔn)是使用掩模和晶圓上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記來(lái)在光暴露前登記圖案。 一旦掩模對(duì)齊，光刻膠就會(huì)通過(guò)具有高強(qiáng)度光源的圖案掩模曝光，從而形成預(yù)期的圖案。
其次，在光刻過(guò)程中，硬烘焙步驟是必要的，以硬化所開發(fā)的光刻膠，并提高與晶片表面的附著力。
硬烤可能是不必須的工藝，而軟烘焙是需要的，如在金屬提升模式。
然后將不需要的光刻膠材料和殘留物蝕刻掉，從而在晶圓表面形成圖案。 模式轉(zhuǎn)移到晶圓表面可以使用三種方法之一：減法轉(zhuǎn)移（刻蝕)、添加劑轉(zhuǎn)移(選擇性沉積)和雜質(zhì)摻雜(離子注入）。 減法采用濕化學(xué)或干等離子體刻蝕，這是最常用的模式轉(zhuǎn)移方法。 然而，干式蝕刻對(duì)濕式蝕刻提供了相對(duì)更多的輪廓控制。
要在掩模上印刷和圖案化小特征，需要根據(jù)方程（1）來(lái)使用波長(zhǎng)較短的光源：
方程（1）
上式中R是分辨率，NA是確定光源可以發(fā)出光的角度范圍的孔徑數(shù)值，而λ是施加光的波長(zhǎng)。
襯底基板是基本的建筑結(jié)構(gòu)，用于提供機(jī)械支持和電氣連接到在幾乎任何射頻電路中的電子元件中。 在決策過(guò)程中，在為特定應(yīng)用選擇合適的襯底技術(shù)時(shí)，除了制造成本和與特定制造技術(shù)的兼容性外，還必須考慮電氣、機(jī)械、化學(xué)和熱參數(shù)等幾種材料性能。 無(wú)論基板是共燒陶瓷（例如氧化鋁）、PCB(例如FR4)或半導(dǎo)體基板，事先了解材料性能對(duì)于了解基板和導(dǎo)體的不同性能是如何影響到特定設(shè)計(jì)的性能是至關(guān)重要的。
共燒陶瓷基板在介電材料純度和許多其他性能方面有著廣泛的品種。 陶瓷基板適用于高容量生產(chǎn)，可用于高微波頻率(高達(dá)50G Hz~)，這取決于導(dǎo)體和介電材料在損耗方面的選擇。 共燒陶瓷可用于高密度射頻互連線，支持有源和無(wú)源元件，并提供非?？煽康拿芊夥庋b解決方案，具有廣泛的好處，包括防止潮濕，熱，熱膨脹，機(jī)械沖擊和腐蝕等。 陶瓷多層基板也有利于在層壓板內(nèi)實(shí)現(xiàn)嵌入式電感和電容器，因此在給定的設(shè)計(jì)中可以減少表面安裝組件的數(shù)量。 共燒陶瓷的兩種主要類型是低溫共燒陶瓷(LTCCs，low temperature co-fired ceramics)和高溫共燒陶瓷(HTCCs， high temperature co-fired ceramics)。 兩種類型的燒結(jié)的溫度的區(qū)別大約是900○ 用于LTCC和1500○為HTCC。 與HTCC相比，LTCC所需的較低溫度是由于事實(shí)上LT CC有較高的玻璃含量，使得能在較低的溫度上結(jié)合陶瓷晶粒。 LTCC也被稱為玻璃陶瓷，因?yàn)槌松倭康慕Y(jié)合劑外，玻璃還與特定成分的氧化鋁混合，以產(chǎn)生均勻的化合物。 LTCC和HTCC都是為了構(gòu)造一個(gè)與金屬共燒的多層陶瓷基板而制造的。 在金屬化方面，LTCC在低于金屬熔點(diǎn)的溫度下使用高導(dǎo)電材料的金屬組成，如銅、金或銀。 然而，HTCC使用電阻率相對(duì)較高的金屬，如鎢、鉬或鉬錳，在高溫下共燒，以支持機(jī)械剛性和長(zhǎng)期可靠性非常重要的應(yīng)用。
在LTCC或HTCC中，多層基組分的生產(chǎn)首先通過(guò)鑄造陶瓷復(fù)合材料來(lái)產(chǎn)生均勻厚度的金屬片。 然后，金屬片被圖案化，并根據(jù)給定設(shè)計(jì)的布局使用沖床來(lái)創(chuàng)建孔洞。 然后，三維(3D)結(jié)構(gòu)是由二維(2D)片構(gòu)成的，其中通孔填充通常使用厚膜絲網(wǎng)印刷工藝。 陶瓷多層襯底的制備在加工順序上不同于半導(dǎo)體襯底。 在半導(dǎo)體制造中，層被依次加工在彼此的頂部；而在陶瓷制造過(guò)程中，每一層被單獨(dú)圖案化，然后堆疊和共燒，以建立均勻的多層結(jié)構(gòu)。
LTCC和HTCC技術(shù)的關(guān)鍵區(qū)別包括：
● 與HTCC相比，LTCC具有較低的介電常數(shù)和較低的損耗
● HTCC具有較高的溫度和機(jī)械穩(wěn)定性
● LTCC具有較高的金屬導(dǎo)電性
● LTCC層數(shù)較高；
● LTCC制造周期較短；
● LTCC使用相對(duì)低成本的工具。
采用低成本阻燃4(FR4，flame retardant 4)材料的PCB基板是由玻璃增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制成的，適用于低頻應(yīng)用。 FR4介質(zhì)材料的損耗角正切是限制其高頻應(yīng)用的一個(gè)限制因素。 其他PCB基板，如羅杰斯（Rogers）的層壓板，提供低損耗材料，可使用高達(dá)20GHz，合理的插入損耗。 柔性和有機(jī)多氯聯(lián)苯也是可用的，它們的使用主要與可穿戴醫(yī)療設(shè)備以及機(jī)器人等輕量級(jí)移動(dòng)設(shè)備有關(guān)。 陶瓷基板在具有較低的熱膨脹系數(shù)方面優(yōu)于PCB基板，可以在較高的溫度下工作，能夠?qū)崿F(xiàn)密封封裝，提供更好的熱性能、更好的高頻性能，并通過(guò)在多層基板中嵌入無(wú)源元件以實(shí)現(xiàn)較小的封裝尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)高的集成密度。
下面的討論在一定程度上強(qiáng)調(diào)了不同的半導(dǎo)體襯底技術(shù)，這些技術(shù)主要與RFICs和MICs的制造相關(guān)。 半導(dǎo)體襯底材料分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類：.
● 單元素半導(dǎo)體，在元素周期表的IV族中發(fā)現(xiàn)，如硅(Si)。
● 化合物半導(dǎo)體可進(jìn)一步分為三個(gè)亞類：.
– 二元素化合物由III-V族元素(如GaAs和AlP)和II-VI組元素(如ZnS)組成。
– 三元素化合物由III-V族元素形成，如InGaAs和AlGaAs等。
– 四元素化合物由III族和V族中的四個(gè)元素組成，如InGaAsP。
由于傳統(tǒng)的Si光刻工藝的成熟，Si晶圓基板是半導(dǎo)體制造中用于實(shí)現(xiàn)大多數(shù)RFICs的主要材料。 另一種在特定應(yīng)用中獲得牽引力的襯底材料是砷化鎵(GaAs)，它在MMIC中的應(yīng)用更為突出。 GaAs是一種半絕緣襯底，其元件具有較低的電容損耗和導(dǎo)體損耗。GaAs被開發(fā)并用于集成電路制造，以克服Si基板器件在高頻使用時(shí)遇到的工作頻率限制。 與Si相比，GaAs材料的高電子遷移率使GaAs在高速電路中處于有利地位。 然而，高昂的制造成本限制了其經(jīng)濟(jì)可行性。 硅鍺（SiGe） 是將Si制造的加工成熟度、集成水平和成本效益與GaAs等更昂貴技術(shù)的速度和性能相結(jié)合的另一種半導(dǎo)體技術(shù)。 與Si技術(shù)制造的晶體管相比，SiGe基晶體管的電流、噪聲和功率能力有了顯著的提高。 SiGe非常適合需要高頻工作（GHz頻率范圍)和高速通信電路(如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器）的應(yīng)用領(lǐng)域。 預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，SiGe的市場(chǎng)份額將增加，特別是隨著5G網(wǎng)絡(luò)的部署和對(duì)大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)連接的需求。 然而，目前，SiGe正面臨來(lái)自替代技術(shù)的高度競(jìng)爭(zhēng)。
純硅基板是一種低電阻材料，對(duì)塊體Si基器件的金屬結(jié)構(gòu)造成介質(zhì)損耗。 因此，在Si襯底上實(shí)現(xiàn)的無(wú)源組件比在GaAs襯底上實(shí)現(xiàn)的無(wú)源組件具有更低的Q值。對(duì)低功耗微電子技術(shù)的需要推動(dòng)了幾種晶圓襯底技術(shù)的發(fā)展，以在塊體Si襯底和器件金屬層之間實(shí)現(xiàn)絕緣，如藍(lán)寶石上的硅(SOS，silicon on sapphire)和絕緣體上的硅(SOI， silicon on insulator)。
SOS是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種晶圓基板技術(shù)，是生產(chǎn)高速低功耗器件的途徑。 其中SOS的主要優(yōu)點(diǎn)之一是具有優(yōu)良的線性性能，這是大功率RFFE（射頻前端）模塊的關(guān)鍵要求。 然而，SOS的可制造性是一個(gè)限制因素，因?yàn)樾纬删哂凶钚〗Y(jié)晶缺陷的Si層主要困難阻礙了大批量生產(chǎn)的潛力，因此也阻礙了SOS器件產(chǎn)品商業(yè)化的潛力。 美國(guó)公司Peregrine半導(dǎo)體公司最近的發(fā)展極大地改善了藍(lán)寶石晶片上Si薄膜的結(jié)晶特性，為RFIC器件制造商今后可能采用和考慮鋪平了道路。 本質(zhì)上，SOS襯底是利用外延生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上沉積Si膜而產(chǎn)生的。 反過(guò)來(lái)，這將產(chǎn)生結(jié)晶缺陷，因?yàn)榫Ц癫黄ヅ渌{(lán)寶石。 這一缺陷是通過(guò)在Si膜內(nèi)植入Si離子來(lái)消除Si膜在與藍(lán)寶石襯底的界面上的結(jié)晶效應(yīng)，并將其轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)條件。 在熱處理和氧化環(huán)境下，Si膜被再結(jié)晶形成。然后去除剩余的SiO2 薄膜以獲得所需的SOS襯底。
SOI襯底的基本結(jié)構(gòu)是在頂部薄Si層和塊體Si襯底之間形成SiO2 層，而器件是建立在其中的。 在芯片制造中，SOI晶片襯底技術(shù)被認(rèn)為是一個(gè)進(jìn)化的步驟，與SOS等其他技術(shù)相比具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。 主要優(yōu)點(diǎn)是器件金屬層與襯底之間的寄生電容降低；因此，可以獲得更好的電氣性能。 例如，SOI襯底通常用于制造射頻開關(guān)的基于場(chǎng)效應(yīng)的晶體管(FETs)減少源和漏到襯底的電容，而這反過(guò)來(lái)又對(duì)開關(guān)隔離、速度和插入損耗產(chǎn)生顯著影響。 此外，SOI襯底技術(shù)在溫度上的性能變化較小，與大多數(shù)傳統(tǒng)的制造工藝兼容，不需要特殊的培訓(xùn)和設(shè)備來(lái)制造。
最常見(jiàn)的SOI晶片的制造工藝是通過(guò)注入氧(SIMOX，separation by implantation of oxygen)進(jìn)行分離，形成塊狀硅支撐晶圓之上的電絕緣SiO2 層。 其他應(yīng)用使用通過(guò)注入氮?dú)?SIMNI，implantation of nitrogen)進(jìn)行分離，其中氧氣被氮?dú)饣蜓鯕夂偷獨(dú)?SIMON)的組合所取代，而不產(chǎn)生任何不利影響。所有的SIMOX、SIMNI和SIMON工藝都有很好的能力精確控制氧化層的厚度。 氧或氮離子被離子束注入硅中。 離子束的能量決定了絕緣層的深度以及后續(xù)硅覆蓋層的厚度。
雖然SOI技術(shù)正在成為IC行業(yè)面臨的幾個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)的答案，但超薄SOI層的生產(chǎn)以建立器件的體Si與掩埋氧化物層之間的低輪廓以及厚度均勻性仍然是一個(gè)突出的挑戰(zhàn)。 此外，由于氧化層的熱導(dǎo)率低(SiO2 為0.4W/m-K，如果與純塊狀Si相比(Si為150W/m-K))，SOI可能會(huì)受到自熱效應(yīng)的影響。