晶圓的概念
晶圓是指硅半導(dǎo)體集成電路制作所用的硅晶片,由于其形狀為圓形,故稱為晶圓;在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結(jié)構(gòu),而成為有特定電性功能之IC產(chǎn)品。晶圓的原始材料是硅,而地殼表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅礦石經(jīng)由電弧爐提煉,鹽酸氯化,并經(jīng)蒸餾后,制成了高純度的多晶硅,其純度高達(dá)99.999999999%。
晶圓的制造過(guò)程
晶圓是制造半導(dǎo)體芯片的基本材料,半導(dǎo)體集成電路最主要的原料是硅,因此對(duì)應(yīng)的就是硅晶圓。
硅在自然界中以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在于巖石、砂礫中,硅晶圓的制造可以歸納為三個(gè)基本步驟:硅提煉及提純、單晶硅生長(zhǎng)、晶圓成型。
首先是硅提純,將沙石原料放入一個(gè)溫度約為2000℃,并且有碳源存在的電弧熔爐中,在高溫下,碳和沙石中的二氧化硅進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)(碳與氧結(jié)合,剩下硅),得到純度約為98%的純硅,又稱作冶金級(jí)硅,這對(duì)微電子器件來(lái)說(shuō)不夠純,因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電學(xué)特性對(duì)雜質(zhì)的濃度非常敏感,因此對(duì)冶金級(jí)硅進(jìn)行進(jìn)一步提純:將粉碎的冶金級(jí)硅與氣態(tài)的氯化氫進(jìn)行氯化反應(yīng),生成液態(tài)的硅烷,然后通過(guò)蒸餾和化學(xué)還原工藝,得到了高純度的多晶硅,其純度高達(dá)99.999999999%,成為電子級(jí)硅。
接下來(lái)是單晶硅生長(zhǎng),最常用的方法叫直拉法。如下圖所示,高純度的多晶硅放在石英坩堝中,并用外面圍繞著的石墨加熱器不斷加熱,溫度維持在大約1400℃,爐中的空氣通常是惰性氣體,使多晶硅熔化,同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生不需要的化學(xué)反應(yīng)。為了形成單晶硅,還需要控制晶體的方向:坩堝帶著多晶硅熔化物在旋轉(zhuǎn),把一顆籽晶浸入其中,并且由拉制棒帶著籽晶作反方向旋轉(zhuǎn),同時(shí)慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。熔化的多晶硅會(huì)粘在籽晶的底端,按籽晶晶格排列的方向不斷地生長(zhǎng)上去。因此所生長(zhǎng)的晶體的方向性是由籽晶所決定的,在其被拉出和冷卻后就生長(zhǎng)成了與籽晶內(nèi)部晶格方向相同的單晶硅棒。用直拉法生長(zhǎng)后,單晶棒將按適當(dāng)?shù)某叽邕M(jìn)行切割,然后進(jìn)行研磨,將凹凸的切痕磨掉,再用化學(xué)機(jī)械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡,晶圓片制造就完成了。
單晶硅棒的直徑是由籽晶拉出的速度和旋轉(zhuǎn)速度決定的,一般來(lái)說(shuō),上拉速率越慢,生長(zhǎng)的單晶硅棒直徑越大。而切出的晶圓片的厚度與直徑有關(guān),雖然半導(dǎo)體器件的制備只在晶圓的頂部幾微米的范圍內(nèi)完成,但是晶圓的厚度一般要達(dá)到1mm,才能保證足夠的機(jī)械應(yīng)力支撐,因此晶圓的厚度會(huì)隨直徑的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。
晶圓制造廠把這些多晶硅融解,再在融液里種入籽晶,然后將其慢慢拉出,以形成圓柱狀的單晶硅晶棒,由于硅晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態(tài)的硅原料中逐漸生成,此過(guò)程稱為“長(zhǎng)晶”。硅晶棒再經(jīng)過(guò)切段,滾磨,切片,倒角,拋光,激光刻,包裝后,即成為集成電路工廠的基本原料——硅晶圓片,這就是“晶圓”。
晶圓的基本原料
硅是由石英砂所精練出來(lái)的,晶圓便是硅元素加以純化(99.999%),接著是將這些純硅制成硅晶棒,成為制造集成電路的石英半導(dǎo)體的材料,經(jīng)過(guò)照相制版,研磨,拋光,切片等程序,將多晶硅融解拉出單晶硅晶棒,然后切割成一片一片薄薄的晶圓。
晶圓尺寸的概念
晶圓是原材料加工上的稱呼,PCB主板上插接件如CPU、二極管等都是由晶圓加工而來(lái)的。目前市面上出現(xiàn)的晶圓直徑是分為150mm,300mm以及450mm這三種,晶圓切割成好多小Die后,形狀不一的正方形、長(zhǎng)方形等都有的。
晶圓尺寸越大越好嗎
英特爾高層說(shuō),目前晶圓片企業(yè)有五家,生產(chǎn)的是12英寸的晶圓片,到了下一代18英寸的晶圓片生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)后,建造晶圓片廠的成本就會(huì)大大提高,100億美元將是一個(gè)門檻,這五家在未來(lái)五年的時(shí)間中,將會(huì)因?yàn)樾录夹g(shù)和成本的淘汰機(jī)制,只剩下兩家。單晶硅的外緣尺寸越大,說(shuō)明工藝水平越高?,F(xiàn)在一般晶圓規(guī)格都是8英寸以上。另外越大的晶圓工藝一致性越差且越大的晶圓工藝設(shè)備成本越高。
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晶圓
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