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半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的根基:晶圓是什么?

2015-07-20
關(guān)鍵詞: 晶圓 樂高 晶柱 矽柱

       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?以下將逐步介紹半導(dǎo)體最重要的基礎(chǔ)——“晶圓”到底是什么,。

  何謂晶圓?

   晶圓(wafer),,是制造各式電腦晶片的基礎(chǔ)。我們可以將晶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(也就是各式晶 片)。然而,,如果沒有良好的地基,,蓋出來的房子就會(huì)歪來歪去,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)晶片制造來說,,這個(gè)基板就是接 下來將描述的晶圓,。

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  (Souse:Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0)

   首先,先回想一下小時(shí)候在玩樂高積木時(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,。 晶片制造,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,。

  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)于晶片制造來說依舊不夠,仍需要進(jìn)一步提升。因此,,將再進(jìn)一步采用西門子制程(Siemens process)作純化,,如此,將獲得半導(dǎo)體制程所需的高純度多晶矽,。

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  ▲ 矽柱制造流程(Source: Wikipedia)

   接著,,就是拉晶的步驟。首先,,將前面所獲得的高純度多晶矽融化,,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)需要排頭讓后來的人該如何正確的排列,矽種便是重要的排頭,,讓后來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,。

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  ▲ 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,,晶柱的制作過程就像是 在做棉花糖一樣,,一邊旋轉(zhuǎn)一邊成型。有制作過棉花糖的話,,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 寸晶圓還來得高,。

   只是,一整條的矽柱并無法做成晶片制造的基板,,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)由拋光便可形成晶片制造所需 的矽晶圓。經(jīng)過這么多步驟,,晶片基板的制造便大功告成,,下一步便是堆疊房子的步驟,也就是晶片制造,。至于該如何制作晶片呢?就待下一篇再解釋,。


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