晶圆的制造过程

晶圆是制造半导体芯片的基本材料，半导体集成电路最主要的原料是硅，因此对应的就是硅晶圆。

硅在自然界中以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在于岩石、砂砾中，硅晶圆的制造可以归纳为三个基本步骤：硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。

首先是硅提纯，将沙石原料放入一个温度约为2000 ℃，并且有碳源存在的电弧熔炉中，在高温下，碳和沙石中的二氧化硅进行化学反应（碳与氧结合，剩下硅），得到纯度约为98%的纯硅，又称作冶金级硅，这对微电子器件来说不够纯，因为半导体材料的电学特性对杂质的浓度非常敏感，因此对冶金级硅进行进一步提纯：将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢进行氯化反应，生成液态的硅烷，然后通过蒸馏和化学还原工艺，得到了高纯度的多晶硅，其纯度高达99.999999999%，成为电子级硅。

接下来是单晶硅生长，最常用的方法叫直拉法。如下图所示，高纯度的多晶硅放在石英坩埚中，并用外面围绕着的石墨加热器不断加热，温度维持在大约1400 ℃，炉中的空气通常是惰性气体，使多晶硅熔化，同时又不会产生不需要的化学反应。为了形成单晶硅，还需要控制晶体的方向：坩埚带着多晶硅熔化物在旋转，把一颗籽晶浸入其中，并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转，同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。熔化的多晶硅会粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不断地生长上去。因此所生长的晶体的方向性是由籽晶所决定的，在其被拉出和冷却后就生长成了与籽晶内部晶格方向相同的单晶硅棒。用直拉法生长后，单晶棒将按适当的尺寸进行切割，然后进行研磨，将凹凸的切痕磨掉，再用化学机械抛光工艺使其至少一面光滑如镜，晶圆片制造就完成了。

单晶硅棒的直径是由籽晶拉出的速度和旋转速度决定的，一般来说，上拉速率越慢，生长的单晶硅棒直径越大。而切出的晶圆片的厚度与直径有关，虽然半导体器件的制备只在晶圆的顶部几微米的范围内完成，但是晶圆的厚度一般要达到1 mm，才能保证足够的机械应力支撑，因此晶圆的厚度会随直径的增长而增长。

晶圆制造厂把这些多晶硅融解，再在融液里种入籽晶，然后将其慢慢拉出，以形成圆柱状的单晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一颗晶面取向确定的籽晶在熔融态的硅原料中逐渐生成，此过程称为“长晶”。硅晶棒再经过切段，滚磨，切片，倒角，抛光，激光刻，包装后，即成为集成电路工厂的基本原料——硅晶圆片，这就是“晶圆”。

晶圆（WAFER）：多指单晶硅圆片，由普通硅沙拉制提炼而成，是最常用的半导体材料。按其直径分为4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸等规格，近来已经发展出16英寸甚至更大规格。晶圆越大，同一圆片上可生产同规格的IC就多，可有效降低IC成本。

半导体晶圆制造的基本原理，主要是将经过精密设计的电路，藉由光罩逐层（Layer by Layer）的转移至矽晶圆上，以制造出所需的IC产品。主要的加工步骤包括化学清洗（Chemical clean）、氧化∕薄膜沈积(Oxidation∕Metal deposition)、光罩投影(Photolithography)、蚀刻(Etching)、离子植入（Ion implant）、扩散(Diffuse)、光阻去除、检验与量测等[34]，总加工步骤随著历年曝光方式的改变及线路线宽的减少而与日遽增。以动态随机存取记忆体（DRAM）为例，制作过程非常困难且繁复，如将量测与检验等步骤纳入考量，总制程步骤已超过五百道以上。

晶圆制造的基本流程，是将矽晶圆投入制程中，经过化学清洗、氧化∕薄膜沈积等程序后，会於矽晶圆表面形成一层矽氧化膜，此薄膜经过上光阻液、并配合光罩於黄光区进行曝光、显影，就可将光罩上的电路图移转至矽晶圆上。经过特殊光线照射后的光阻液会产生变化，使得此部份的光阻液可利用化学药品或腐蚀性气体去除而露出矽氧化膜，此为蚀刻（Etching）过程。露出的矽氧化膜经离子植入制程，於晶圆表面植入硼、砷和磷等离子，以形成半导体电子元件。接下来以金属贱镀的方式，於晶圆表面贱镀能够导电的金属层，以连接电子元件，并以表面绝缘保护，就可完成其中一个层（Layer）的制造。如此一层一层的层叠架构，就可将电路图完全的移转至矽晶圆上，完成所制造的IC产品，不同功能的IC产品所需的层数也不相同，视其复杂度而定。以下便针对上述几个单元制作略述其制造、生产特性以及所使用的设备。

1.芯片的原料晶圆，晶圆的成分是硅，是用石英砂提炼出来的，晶圆是提纯后的硅元素(99.999%)。然后，一些纯硅被制成硅晶棒，成为应时半导体制造集成电路的材料。将它们切片是芯片制造特别需要的晶片。晶圆越薄，生产成本越低，但对工艺的要求越高。2.晶圆涂层晶圆涂层可以抗氧化和耐高温，它的材料是一种光刻胶。3.在晶圆光刻显影和蚀刻过程中，使用了对紫外光敏感的化学物质，即它们在暴露于紫外光时会软化。通过控制遮光板的位置可以获得芯片的形状。在硅片上涂覆光刻胶，使其在紫外光照射下溶解。4.掺杂杂质以将离子注入晶片中，从而产生相应的P和N半导体。具体来说，工艺是从硅片上的曝光区域开始，放入化学离子混合溶液中。这个过程将改变掺杂区域的传导模式，使得每个晶体管可以被打开、关闭或传送数据。5.晶片测试在上述过程之后，在晶片上形成格子状的晶粒。每个晶粒的电特性通过针测试来测试。6.封装:成品晶圆固定，引脚绑定，根据要求做出各种封装形式，这就是为什么同一个芯片核可以有不同的封装形式。如迪普、QFP、PLCC、QFN等。这主要是由用户的应用习惯、应用环境、市场形态等外部因素决定的。7.芯片制造的最后一道工序是测试，可分为通用测试和专用测试。前者是测试封装芯片在各种环境下的电特性，如功耗、运行速度、耐压等。

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