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      什么是晶圓?晶圓是怎么制造出來的?

      編輯:中奧載帶 時間: 2020-10-27 09:45 瀏覽量: 28

      什么是晶圓?

       

      在半導體的新聞中,總是會提到以尺寸標示的晶圓廠,如8寸或是12寸晶圓廠。那么,所謂的晶圓到底是什么東西?其中8寸指的是什么部分?要制造大尺寸的晶圓又有什么難度呢?以下將逐步介紹半導體最重要的基礎——「晶圓」到底是什么。

       

      晶圓wafer),是制造各式電腦芯片的基礎。我們可以將芯片制造比擬成用樂高積木蓋房子,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,如果沒有良好的地基,蓋出來的房子就會歪來歪去,不合自己所意,為了做出完美的房子,便需要一個平穩的基板。對芯片制造來說,這個基板就是接下來將描述的晶圓。

       

      積木


      首先,先回想一下小時候在玩樂高積木時,積木的表面都會有一個一個小小圓型的凸出物,藉由這個構造,我們可將兩塊積木穩固的疊在一起,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,以滿足后續制造所需的條件。

       

      在固體材料中,有一種特殊的晶體結構──單晶Monocrystalline)。它具有原子一個接著一個緊密排列在一起的特性,可以形成一個平整的原子表層。因此,采用單晶做成晶圓,便可以滿足以上的需求。那么,該如何產生這樣的材料呢?


      主要有二個步驟,分別為純化以及拉晶,之后便能完成這樣的材料。

       

      如何制造單晶的晶圓?

       

      純化分成兩個階段,第一步是冶金級純化,此一過程主要是加入碳,以氧化還原的方式,將氧化硅轉換成98%以上純度的硅。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%對于芯片制造來說依舊不夠,仍需要進一步提升。因此,將再進一步采用西門子制程Siemens process)作純化,如此,將獲得半導體制程所需的高純度多晶硅。

       

      硅柱制造流程


      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,形成液態的硅。之后,以單晶的硅種seed)和液體表面接觸,一邊旋轉一邊緩慢的向上拉起。至于為何需要單晶的硅種,是因為硅原子排列就和人排隊一樣,會需要排頭讓后來的人該如何正確的排列,硅種便是重要的排頭,讓后來的原子知道該如何排隊。最后,待離開液面的硅原子凝固后,排列整齊的單晶硅柱便完成了。

       

      單晶硅柱


      然而,8寸、12寸又代表什么東西呢?他指的是我們產生的晶柱,長得像鉛筆筆桿的部分,表面經過處理并切成薄圓片后的直徑。至于制造大尺寸晶圓又有什么難度呢?如前面所說,晶柱的制作過程就像是在做棉花糖一樣,一邊旋轉一邊成型。有制作過棉花糖的話,應該都知道要做出大而且扎實的棉花糖是相當困難的,拉晶的過程也是一樣,旋轉拉起的速度以及溫度的控制都會影響到晶柱的品質。也因此,尺寸愈大時,拉晶對速度與溫度的要求就更高,所以要做出高品質 12 寸晶圓的難度就比 8 寸晶圓還來得高。

       

      只是,一整條的硅柱并無法做成芯片制造的基板,為了產生一片一片的硅晶圓,接著需要以鉆石刀將硅晶柱橫向切成圓片,圓片再經由拋光便可形成芯片制造所需的硅晶圓。經過這么多步驟,芯片基板的制造便大功告成,下一步便是堆疊房子的步驟,也就是芯片制造。



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