什么是硅片或者晶圓？硅晶圓的工作原理

什么是硅片或者晶圓？

硅片，英文名字為Wafer，也叫晶圓，是高純度結(jié)晶硅的薄片。硅晶圓作為芯片的基板，在制造電子電路中特別有用。硅作為整個(gè)宇宙中最常見(jiàn)的元素排名第七，也是地球上第二常見(jiàn)的元素。一些常見(jiàn)的含硅材料包括沙子、石英等。硅是磚、水泥和玻璃等建筑材料的主要元素之一。硅目前是半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域中使用最廣泛的半導(dǎo)體。

雖然硅芯片可能看起來(lái)像金屬，但它們并不完全是金屬。由于原子間容易移動(dòng)的“自由電子”，金屬是電的良導(dǎo)體，電就是電子的運(yùn)動(dòng)。另一方面，純硅晶體幾乎是絕緣體；允許很少的電流通過(guò)它。然而，通過(guò)給硅片摻雜可以改變硅片的導(dǎo)電能力。

摻雜是將少量雜質(zhì)混入硅晶體以改變其行為并將其集成到導(dǎo)體中。這些用于摻雜的雜質(zhì)稱(chēng)為摻雜劑。硅本身不能很好地導(dǎo)電；但是，它可以精確地?fù)诫s以將電阻率控制到精確的水平。在芯片制造過(guò)程中添加硅摻雜劑，例如氮、銦、鋁、鎵和硼。因此，要使非導(dǎo)電硅形成半導(dǎo)體，硅必須變成晶圓。

硅晶圓有多種形狀和尺寸，具體取決于它們的用途。晶圓從2英寸到12英寸都有，常見(jiàn)的是6英寸、8英寸和12英寸。它們是集成電路中的關(guān)鍵材料，集成電路由多個(gè)旨在執(zhí)行特定任務(wù)的晶體管組成。硅是一種具有拋光鏡面表面的扁平圓盤(pán)，它無(wú)處不在，幾乎在每個(gè)電子設(shè)備中都有它的身影。它是制造半導(dǎo)體的常用材料，硅表面光滑，提高了純度，適用于半導(dǎo)體器件。硅片制造方法是 Vertical Bridgeman 和 Czochralski 拉法。

硅晶圓的工作原理

從沙子中提取硅后，需要在使用前對(duì)其進(jìn)行純化。它首先被加熱，直到它熔化成純度約為 99.9999999% 或更高且無(wú)缺陷的高純度液體。然后通過(guò)使用 Floating Zone 或 Czochralski 工藝等常見(jiàn)制造方法，使其凝固成硅棒或硅錠。Czochralski 的方法包括將一小塊固體硅放置在熔融硅池中，然后隨著液體轉(zhuǎn)變成圓柱形硅錠而緩慢旋轉(zhuǎn)。這就是為什么最終產(chǎn)品晶圓都是圓盤(pán)狀的。在完全冷卻之前，金屬錠的金字塔形末端被拉掉。然后使用鋒利的金剛石鋸片將主體切成相同厚度的薄晶片。這闡明了為什么鑄錠的直徑會(huì)成為晶圓尺寸的決定因素。

在 50 年代的半導(dǎo)體工業(yè)初期，晶圓的直徑只有三英寸。從那時(shí)起，晶圓尺寸穩(wěn)步增加，導(dǎo)致以更低的成本和更高的生產(chǎn)率生產(chǎn)更多的芯片。半導(dǎo)體晶圓有多種直徑，從 25.4 毫米（1 英寸）到 300 毫米（11.8 英寸）不等。雖然 450 毫米（18 英寸）晶圓直徑可用，但尚未廣泛使用。

成品晶圓的厚度和直徑必須與晶圓將用于制造的材料的機(jī)械強(qiáng)度和其他物理質(zhì)量相對(duì)應(yīng)。成品必須足夠堅(jiān)固以支撐其重量而不會(huì)在處理晶圓各種應(yīng)用的產(chǎn)品時(shí)破碎。隨著在切片制造中添加更多材料，晶圓的直徑增加，晶圓的重量也增加。當(dāng)添加了足夠的重量后，直徑不能增加，因?yàn)樗鼤?huì)損害切片的強(qiáng)度。

如果重物放置不當(dāng)，相對(duì)較小的壓力就足以破壞晶圓。切片晶圓必須經(jīng)過(guò)處理才能用于制造。CMP工藝和研磨化學(xué)品用于將晶圓的粗糙表面拋光至完美光滑的表面。無(wú)可挑剔的表面使晶圓表面的印刷電路布局更容易。

以下是完整晶圓的每個(gè)組件的名稱(chēng)和功能。

1.?Edge Die(chips)?: 視為生產(chǎn)損耗。晶圓邊緣的芯片。晶圓越大，芯片損失越少。

2.劃線：在功能部分之間，有狹窄的非功能區(qū)域，鋸可以在這些區(qū)域安全地切割晶圓而不會(huì)破壞電路。這些薄的區(qū)域是劃線

3.芯片：有電子電路圖案的一小塊硅

4.平面區(qū)：晶圓的邊緣被拉平以幫助晶圓定位和類(lèi)型識(shí)別。

5.測(cè)試元件組 (TEG)：顯示芯片實(shí)際物理特性（二極管、電路、電容器、晶體管和電阻器）的原型圖案，以便對(duì)其進(jìn)行測(cè)試以了解其是否正常工作。

硅晶圓有哪些不同類(lèi)型？

所有的硅晶圓都是非常有用的組件，只是有不同的變化用于不同的目的。因此，必須了解不同類(lèi)型的硅晶圓。目前常用的硅片主要有兩種。這些都是：

無(wú)摻雜硅片

摻雜硅片

未摻雜硅晶片

未摻雜硅晶片，也稱(chēng)為本征或浮區(qū) (FZ)，其中沒(méi)有任何摻雜劑。它們由嚴(yán)格的純晶體硅制成。這種硅片被公認(rèn)為理想的半導(dǎo)體。

摻雜硅晶圓

摻雜硅片是在形成過(guò)程中向硅晶體中引入摻雜劑（某種雜質(zhì)）而形成的。當(dāng)硼被添加到混合物中時(shí)，就產(chǎn)生了 P 型摻雜硅晶片。P 型硅片有許多帶正電的空穴。為了生產(chǎn) N 型摻雜硅晶片，將添加磷、砷或銻等元素。N型硅片中有一個(gè)帶負(fù)電的電子。晶圓中發(fā)現(xiàn)的摻雜劑數(shù)量將確定它是退化的還是外來(lái)的。簡(jiǎn)并意味著其中有更高濃度的摻雜劑，而外在意味著它有很少或中等的摻雜劑。

晶圓應(yīng)用

如前所述，硅晶圓的主要用途是在集成電路 (IC) 中，因?yàn)樗鼧?gòu)成了 IC 的關(guān)鍵組件。IC 是協(xié)同工作以執(zhí)行特定任務(wù)的電子元件的集合。盡管隨著時(shí)間的推移對(duì)不同的半導(dǎo)體進(jìn)行了測(cè)試，但硅已被證明是更穩(wěn)定的選擇。硅晶圓用于世界各地的各種小工具。它的應(yīng)用跨越不同類(lèi)型的行業(yè)。以下是硅晶片用例的詳細(xì)信息：

1. 半導(dǎo)體

半導(dǎo)體有不同的形式和形狀，是各種電子設(shè)備的基石。這些包括晶體管、二極管和集成電路。它們是使用硅晶片制造的，因此具有緊湊性和效率。由于它們能夠處理各種電壓或電流，它們被用于光學(xué)傳感器、功率設(shè)備，甚至激光器。

2.電子和計(jì)算

硅晶圓被廣泛應(yīng)用于電子和計(jì)算領(lǐng)域，是數(shù)字時(shí)代的推動(dòng)者。RAM 芯片是一種集成電路，由硅晶圓制成。這使得硅晶圓在計(jì)算行業(yè)中占有重要地位。此外，硅晶圓通常用于制造許多設(shè)備，如智能手機(jī)、汽車(chē)電子產(chǎn)品、家用電器和無(wú)人機(jī)技術(shù)。實(shí)際上，任何電子電路設(shè)備都有硅晶圓的高級(jí)用例。新的制造技術(shù)和自動(dòng)化流程使它們更加有效和高效。

3. 光學(xué)

對(duì)于光學(xué)分級(jí)，拋光硅晶片通常是專(zhuān)門(mén)制造的。硅晶圓是反射光學(xué)和紅外 (IR) 應(yīng)用中理想的經(jīng)濟(jì)材料。Floating Zone 或 CZ 制造方法用于制造用于光學(xué)器件的硅晶圓。這是因?yàn)檫@些方法產(chǎn)生的缺陷更少并且比其他方法更高。在全世界的微光學(xué)和光纖設(shè)備中都有使用。一個(gè)明顯的例子是由相機(jī)中使用的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 制成的圖像傳感器 (CIS)。

4.太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池需要硅晶片來(lái)提高效率并吸收更多的陽(yáng)光。經(jīng)常使用非晶硅、單晶硅和碲化鎘等材料。Floating Zone 方法等制造工藝可將太陽(yáng)能電池效率提高近 25%。就像微芯片一樣，太陽(yáng)能電池也遵循類(lèi)似的制造過(guò)程。太陽(yáng)能電池所需的純度和質(zhì)量水平不像用于計(jì)算和其他電子產(chǎn)品那樣苛刻。

5.航天

由于其優(yōu)越的性能和品質(zhì)，硅片自問(wèn)世以來(lái)就被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。硅晶片在航空工業(yè)中經(jīng)常用作覆蓋和粘合材料，并用于保護(hù)和隔離精密工具免受極端溫度的影響。幾十年來(lái)，由于其廣泛的使用和耐高溫性，它一直是一個(gè)不錯(cuò)且值得信賴(lài)的選擇。有機(jī)硅是該行業(yè)中最常用的材料。在長(zhǎng)鏈氧以及硅成分上形成的具有化學(xué)凝聚力的聚合物構(gòu)成了其中的大部分。硅晶圓對(duì)飛機(jī)原始設(shè)備制造 (OEM) 以及維修、維護(hù)和大修非常有幫助。飛機(jī)由于頻繁使用而磨損，需要更換。

小結(jié)

硅晶片幾乎用于人類(lèi)生活的每一個(gè)元素和技術(shù)的進(jìn)步。由于其相對(duì)于其他半導(dǎo)體材料的穩(wěn)定性，硅晶片是技術(shù)領(lǐng)域中使用最廣泛的材料。與其他金屬物質(zhì)相比，它們不僅提供了更好的選擇，而且在地球上也隨處可見(jiàn)。正是由于對(duì)硅、碳化硅 (SiC)、鍺、砷化物和鎵等半導(dǎo)體材料的開(kāi)發(fā)和研究，技術(shù)進(jìn)步才有可能達(dá)到如此巨大的水平。多虧了由硅晶片驅(qū)動(dòng)的 IC 的發(fā)明，科學(xué)家和發(fā)明家已經(jīng)利用它來(lái)將大型笨重的機(jī)器簡(jiǎn)化為易于隨身攜帶的手持設(shè)備。這已成為大多數(shù)制造業(yè)領(lǐng)域的廣泛創(chuàng)新變革。

編輯：黃飛

?