晶圓的製作工藝流程和用途

2020-11-25 電子工程專輯


一是矽提純,將沙石原料放入一個溫度約為2000 ℃,並且有碳源存在的電弧熔爐中,在高溫下,碳和沙石中的二氧化矽進行化學反應(碳與氧結合,剩下矽),得到純度約為98%的純矽,又稱作冶金級矽,這對微電子器件來說不夠純,因為半導體材料的電學特性對雜質的濃度非常敏感,因此對冶金級矽進行進一步提純:將粉碎的冶金級矽與氣態的氯化氫進行氯化反應,生成液態的矽烷,然後通過蒸餾和化學還原工藝,得到了高純度的多晶矽,其純度高達99.999999999%,成為電子級矽。


二是單晶矽生長,最常用的方法叫直拉法,高純度的多晶矽放在石英坩堝中,並用外面圍繞著的石墨加熱器不斷加熱,溫度維持在大約1400 ℃,爐中的氣體通常是惰性氣體,使多晶矽熔化,同時又不會產生不需要的化學反應。為了形成單晶矽,還需要控制晶體的方向:坩堝帶著多晶矽熔化物在旋轉,把一顆籽晶浸入其中,並且由拉制棒帶著籽晶作反方向旋轉,同時慢慢地、垂直地由矽熔化物中向上拉出。熔化的多晶矽會粘在籽晶的底端,按籽晶晶格排列的方向不斷地生長上去。因此所生長的晶體的方向性是由籽晶所決定的,在其被拉出和冷卻後就生長成了與籽晶內部晶格方向相同的單晶矽棒。用直拉法生長後,單晶棒將按適當的尺寸進行切割,然後進行研磨,將凹凸的切痕磨掉,再用化學機械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡,晶圓片製造就完成了。


單晶矽棒的直徑是由籽晶拉出的速度和旋轉速度決定的,一般來說,上拉速率越慢,生長的單晶矽棒直徑越大。而切出的晶圓片的厚度與直徑有關,雖然半導體器件的製備只在晶圓的頂部幾微米的範圍內完成,但是晶圓的厚度一般要達到1 mm,才能保證足夠的機械應力支撐,因此晶圓的厚度會隨直徑的增長而增長。


三是晶圓製造廠把這些多晶矽融解,再在融液裡種入籽晶,然後將其慢慢拉出,以形成圓柱狀的單晶矽晶棒,由於矽晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態的矽原料中逐漸生成,此過程稱為「長晶」。矽晶棒再經過切段,滾磨,切片,倒角,拋光,雷射刻,包裝後,即成為集成電路工廠的基本原料——矽晶圓片,這就是「晶圓」。


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