硅片,是制作集成电路的重要材料,通过对硅片进行光刻、离子注入等手段,可以制成各种半导体器件。用硅片制成的芯片有着惊人的运算能力。科学技术的发展不断推动着半导体的发展。自动化和计算机等技术发展,使硅片(集成电路)这种高技术产品的造价已降到十分低廉的程度。这使得硅片已广泛应用于航空航天、工业、农业和国防,甚至悄悄进入每一个家庭。
硅片的等级:MG-Si → SeG-Si → SoG-Si
提炼要经过一下过程:
石英砂→冶金级硅→提炼和精炼→沉积多晶硅锭→单晶硅→硅片切割。
冶金级硅MG-Si
提炼硅的原始材料是SiO2,主要是砂成分,目前采用SiO2的结晶岩即石灰岩,在大型的电弧炉中用碳还原:SiO2+2C→Si+2CO
定期倒出炉,用氧气、氧氯混合气体提纯,然后倒入浅槽在槽中凝固,随后被捣成块状。
MG-Si提纯为SeG-Si
提炼标准方法为:西门子工。
MG-Si被转变为挥发性的化合物,接着采用分馏的方法将其冷凝被提纯。
工艺程序:用Hcl把细碎的MG-Si变成流体
使用催化剂加速反应进行:Si+3Hcl→SiHcl3+H2
MG-Si →SiHcl3 硅胶工业原材料
为提取MG-Si可加热混合气体使SiHcl3 被H2还原,硅以细晶粒的多晶硅形成沉积到电加热棒上如右:SiHcl3+H2 →Si+3Hcl
SeG-Si提纯到SoG-Si
将SeG-Si多晶硅熔融,同时加入器件所需的微量参杂剂,通常采用硼(P型参杂剂)。
在温度可以精细控制的情况下用籽晶能够成熔融的硅中拉出大圆柱形的单晶硅棒。直径过125cm长度为1~2m。
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芯片是怎么制作出来的如下:一、芯片设计。
芯片属于体积小,但高精密度极大的产品。想要制作芯片,设计是第一环节。设计需要借助EDA工具和一些IP核,最终制成加工所需要的芯片设计蓝图。
二、沙硅分离。
所有的半导体工艺都是从一粒沙子开始的。因为沙子中蕴含的硅是生产芯片“地基”硅晶圆所需要的原材料。所以我们第一步,就是要将沙子中的硅分离出来。
三、硅提纯。
在将硅分离出来后,其余的材料废弃不用。将硅经过多个步骤提纯,已达到符合半导体制造的质量,这就是所谓的电子级硅。
四、将硅铸锭。
提纯之后,要将硅铸成硅锭。一个被铸成锭后的电子级硅的单晶体,重量大约为1千克,硅的纯度达到了99.9999%。
五、晶圆加工。硅锭铸好后,要将整个硅锭切成一片一片的圆盘,也就是我们俗称的晶圆,它是非常薄的。随后,晶圆就要进行抛光,直至完美,表面如镜面一样光滑。硅晶圆的直径常见的有8英寸(2mm)和12英寸(3mm),直径越大,最终单个芯片成本越低,但加工难度越高。
六、光刻。首先在晶圆上敷涂上三层材料。第一层是氧化硅,第二层是氮化硅,最后一层是光刻胶。再将设计完成的包含数十亿个电路元件的芯片蓝图制作成掩膜,掩膜可以理解为一种特殊的投影底片,包含了芯片设计蓝图,下一步就是将蓝图转印到晶圆上。这一步对光刻机有着极高的要求。紫外线会透过掩膜照射到硅晶圆上的光刻胶上,光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉,清除后留下的图案和掩膜上的一致。用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分,剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。蚀刻完成后,清除全部光刻胶,露出一个个凹槽。
七、蚀刻与离子注入。首先要腐蚀掉暴露在光刻胶外的氧化硅和氮化硅,并沉淀一层二氧化硅,使晶体管之间绝缘,然后利用蚀刻技术使最底层的硅暴露出来。然后把硼或磷注入到硅结构中,接着填充铜,以便和其他晶体管互连,然后可以在上面再涂一层胶,再做一层结构。一般一个芯片包含几十层结构,就像密集交织的高速公路。
经过上述流程,我们就得到了布满芯片的硅晶圆。之后用精细的切割器将芯片从晶圆上切下来,焊接到基片上,装壳密封。之后经过最后的测试环节,一块块芯片就做好了。
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