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為什么說(shuō)晶圓是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的根基

發(fā)布日期:2020-02-25

    在半導(dǎo)體的新聞中,總是會(huì)提到以尺寸標(biāo)示的晶圓廠,如8寸或是12寸晶圓廠,然而,所謂的晶圓到底是什么東西?其中8寸指的是什么部分?要產(chǎn)出大尺寸的晶圓制造又有什么難度呢?以下東莞建盟化學(xué)將逐步介紹半導(dǎo)體最重要的基礎(chǔ)——“晶圓”到底是什么。

    1、什么是晶圓

    晶圓(wafer),是制造各式電腦芯片的基礎(chǔ)。我們可以將芯片制造比擬成用樂(lè)高積木蓋房子,藉由一層又一層的堆疊,完成自己期望的造型(也就是各式芯片)。然而,如果沒(méi)有良好的地基,蓋出來(lái)的房子就會(huì)歪來(lái)歪去,不合自己所意,為了做出完美的房子,便需要一個(gè)平穩(wěn)的基板。對(duì)芯片制造來(lái)說(shuō),這個(gè)基板就是接下來(lái)將描述的晶圓。

樂(lè)高積木晶圓

    先回想一下小時(shí)候在玩樂(lè)高積木時(shí),積木的表面都會(huì)有一個(gè)一個(gè)小小圓型的凸出物,藉由這個(gè)構(gòu)造,我們可將兩塊積木穩(wěn)固的疊在一起,且不需使用膠水。芯片制造,也是以類似這樣的方式,將后續(xù)添加的原子和基板固定在一起。因此,我們需要尋找表面整齊的基板,以滿足后續(xù)制造所需的條件。在固體材料中,有一種特殊的晶體結(jié)構(gòu)──單晶(Monocrystalline)。它具有原子一個(gè)接著一個(gè)緊密排列在一起的特性,可以形成一個(gè)平整的原子表層。因此,采用單晶做成晶圓,便可以滿足以上的需求。然而,該如何產(chǎn)生這樣的材料呢,主要有二個(gè)步驟,分別為純化以及拉晶,之后便能完成這樣的材料。

    2、如何制造單晶的晶圓

    純化分成兩個(gè)階段,第一步是冶金級(jí)純化,此一過(guò)程主要是加入碳,以氧化還原的方式,將氧化矽轉(zhuǎn)換成98%以上純度的矽。大部份的金屬提煉,像是鐵或銅等金屬,皆是采用這樣的方式獲得足夠純度的金屬。但是,98%對(duì)于芯片制造來(lái)說(shuō)依舊不夠,仍需要進(jìn)一步提升。因此,將再進(jìn)一步采用西門子制程(Siemensprocess)作純化,如此,將獲得半導(dǎo)體制程所需的高純度多晶硅。

單晶晶圓制造步驟

    接著,就是拉晶的步驟。首先,將前面所獲得的高純度多晶硅融化,形成液態(tài)的矽。之后,以單晶的矽種(seed)和液體表面接觸,一邊旋轉(zhuǎn)一邊緩慢的向上拉起。至于為何需要單晶的矽種,是因?yàn)槲优帕芯秃腿伺抨?duì)一樣,會(huì)需要排頭讓后來(lái)的人該如何正確的排列,矽種便是重要的排頭,讓后來(lái)的原子知道該如何排隊(duì)。最后,待離開液面的矽原子凝固后,排列整齊的單晶矽柱便完成了。

    3、單晶矽柱(Souse:Wikipedia)

    然而,8寸、12寸又代表什么東西呢?其實(shí)指的是晶柱,也就是上方圖片中長(zhǎng)得像鉛筆筆桿部分的直徑。至于制造大尺寸晶圓又有什么難度呢?如前面所說(shuō),晶柱的制作過(guò)程就像是在做棉花糖一樣,一邊旋轉(zhuǎn)一邊成型。有制作過(guò)棉花糖的話,應(yīng)該都知道要做出大而且扎實(shí)的棉花糖是相當(dāng)困難的,而拉晶的過(guò)程也是一樣,旋轉(zhuǎn)拉起的速度以及溫度的控制都會(huì)影響到晶柱的品質(zhì)。也因此,尺寸愈大時(shí),拉晶對(duì)速度與溫度的要求就更高,因此要做出高品質(zhì)12寸晶圓的難度就比8寸晶圓還來(lái)得高。

單晶矽柱

    只是,一整條的矽柱并無(wú)法做成芯片制造的基板,為了產(chǎn)生一片一片的矽晶圓,接著需要以鉆石刀將矽晶柱橫向切成圓片,圓片再經(jīng)由拋光便可形成芯片制造所需的矽晶圓。經(jīng)過(guò)這么多步驟,芯片基板的制造便大功告成。
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