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【兆恒機械】硅晶圓制造過程

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  • 添加日期:2020年09月22日

我們心愛的電腦中最重要組成部分——各種芯片的核心是以硅元素為基礎(chǔ)晶圓制造的,硅甚至被譽為“電之元素”,由此可見硅對電子工業(yè)的重要性。硅元素是世界上儲量最豐富的元素之一,然而它對我們來說卻是既熟悉又陌生,究竟如何用硅制造出晶圓來的呢?

固有特性

    眾所周知,硅(舊稱矽,英文名稱Silicon)是一種非金屬元素,位于元素周期表中第4主族,原子序數(shù)14,元素符號為Si,它的熔點為1410°C,沸點為2355°C。地殼含有的各元素中硅的含量高達26%,僅次于氧元素,硅常常以沙子或者石英等形式存在于地表及巖石中。對于芯片制造業(yè)和太陽能電池工業(yè)來說,都需要極高純度的硅,而我們能從上述各種礦石(主要成分均為二氧化硅)中提煉出幾乎完全純凈的硅。硅看起來就是下圖這個樣子:


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半導(dǎo)體

    毫無疑問,硅元素的價值在于它是一種半導(dǎo)體——電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣體之間,并且電導(dǎo)率會隨著有無雜質(zhì)及溫度變化而顯著變化的一種物質(zhì)。除了硅之外,鍺、硒和氧化錫等均為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體有不同的種類,可分為空穴型半導(dǎo)體和電子型半導(dǎo)體,前者通過晶體中的空穴導(dǎo)電,后者和金屬一樣通過電子導(dǎo)電。

單晶硅的生產(chǎn)

(1)硅的主要來源是石英砂(二氧化硅),硅元素和氧元素通過共價鍵連接在一起。因此需要將氧元素從二氧化硅中分離出來,換句話說就是要將硅還原出來,采用的方法是將二氧化硅和碳元素(可以用煤、焦炭和木屑等)一起在電弧爐中加熱至2100°C左右,這時碳就會將硅還原出來?;瘜W(xué)反應(yīng)方程式為:SiO2 (s) + 2C (s) = Si (s) + 2CO (g)(吸熱) 
(2)上一步驟中得到的硅中仍有大約2%的雜質(zhì),稱為冶金級硅,其純度與半導(dǎo)體工業(yè)要求的相差甚遠,因此還需要進一步提純。方法則是在流化床反應(yīng)器中混合冶金級硅和氯化氫氣體,最后得到沸點僅有31°C的三氯化硅。化學(xué)反應(yīng)方程式為:Si (s) + 3HCl (g) = SiHCl3 (g) + H2 (g)(放熱)
(3)隨后將三氯化硅和氫氣的混合物蒸餾后再和加熱到1100°C的硅棒一起通過氣相沉積反應(yīng)爐中,從而除去氫氣,同時析出固態(tài)的硅,擊碎后便成為塊狀多晶硅。這樣就可以得到純度為99.9999999%的硅,換句話說,也就是平均十億個硅原子中才有一個雜質(zhì)原子。
(4)進行到目前為止,半導(dǎo)體硅晶體對于芯片制造來說還是太小,因此需要把塊狀多晶硅放入坩堝內(nèi)加熱到1440°C以再次熔化,如下圖所示:

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    為了防止硅在高溫下被氧化,坩堝會被抽成真空并注入惰性氣體氬氣。之后用純度99.7%的鎢絲懸掛硅晶種探入熔融硅中,晶體成長時,以2~20轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速及3~10毫米/分鐘的速率緩慢從熔液中拉出:

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    這樣一段時間之后就會得到一根純度極高的硅晶棒,理論上最大直徑可達45厘米,最大長度為3米。

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    以上所簡述的硅晶棒制造方法被稱為切克勞斯法(Czochralski process,也稱為柴氏長晶法),此種方法因成本較低而被廣泛采用,除此之外,還有V-布里奇曼法(Vertikalern Bridgman process)和浮動區(qū)法(floating zone process)都可以用來制造單晶硅。

芯片成形

    上面生產(chǎn)出的硅晶棒首先經(jīng)過打磨,然后用金剛石鋸切成大約1毫米厚的圓片,然后再經(jīng)過精細打磨、去除瑕疵的若干步驟就得到所謂的晶圓(Wafer),之后就要在晶圓上添入摻雜物以及用蝕刻法分層制造出電路,然后經(jīng)過分割、打磨、測試等若干步驟,最后將芯片用塑料、陶瓷等材料進行封裝并引出鍍金引腳,再進行測試等若干步驟,一顆芯片就面世了。

    當(dāng)然,晶圓及芯片生產(chǎn)具體過程中很多細節(jié)及步驟并未提及,實際生產(chǎn)過程中遠比以上所說的復(fù)雜,因此硅晶圓成品率及直徑等都是衡量一個國家科技實力的標(biāo)志之一。