製作一顆矽晶圓需要哪些半導體設備

眾所周知，半導體作為最重要的產業之一，每年為全球貢獻近五千億美金的產值，可以毫不誇張的說，半導體技術無處不在。俗話說：巧婦難為無米之炊，矽晶圓作為製造半導體器件和晶片的基本材料，在產業中扮演著舉足輕重的地位，矽是當今最重要、應用最廣泛的半導體材料。

矽是非常常見的物質，如沙子裡面就有二氧化矽，但沙子到矽晶體這可是個非常複雜的過程，如沙子要經過提純、高溫整形再到旋轉拉伸……單晶矽是晶圓最初始的狀態，在實際應用中仍不行，還需要製造成晶圓，而且是要求很高的圓圓晶體。在實際的生產中，我們通常將二氧化矽還原成單晶矽，但是這個過程難度很高，因為實際用到的晶圓純度很高，要達到99.999%以上，常用的晶圓生產過程包括矽的純化、純矽製成矽晶棒、製造成電路的石英半導體材料、照相製版、矽材料研磨和拋光、多晶矽融解然後拉出單晶矽晶棒再到最後切割成一片薄薄的晶圓。

常見的矽晶圓生產流程

矽在自然界中以矽酸鹽或二氧化矽的形式廣泛存在於巖石、砂礫中，矽晶圓的製造有三大步驟：矽提煉及提純、單晶矽生長、晶圓成型。

一、 矽提煉及提純

矽的提純是第一道工序，需將沙石原料放入一個溫度超過兩千攝氏度的並有碳源的電弧熔爐中，在高溫下發生還原反應得到冶金級矽，然後將粉碎的冶金級矽與氣態的氯化氫反應，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。

二、 單晶矽生長

（用直拉法製造晶圓的流程圖，OFweek電子工程網製作）

晶圓企業常用的是直拉法，如上圖所示，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，溫度維持在大約一千多攝氏度，爐中的空氣通常是惰性氣體，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。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，再用化學機械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡，這時候晶圓片就製造完成了。

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。

三、晶圓成型

完成了上述兩道工藝， 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」。

在現實中，經常會聽到人們講幾寸晶圓廠，它是說生產單片晶圓的尺寸。一般情況下，矽晶圓直徑越大，代表晶圓廠技術實力越強，如中芯國際以12寸晶圓為主，臺積電的8寸晶圓等。為了將電晶體與導線尺寸縮小，可以將幾片晶圓製作在同一片晶圓上，製作出更多的矽晶粒，但是矽晶圓生產最關鍵的參數就是良品率，這是晶圓廠的核心技術參數，它與矽晶圓生產設備的質量密不可分。

製造一顆矽晶圓需要的半導體設備

製作一顆矽晶圓需要的半導體設備大致有十個，它們分別是單晶爐、氣相外延爐、氧化爐、磁控濺射臺、化學機械拋光機、光刻機、離子注入機、引線鍵合機、晶圓劃片機、晶圓減薄機，其實光刻機只是九牛一毛。

1、單晶爐

單晶爐是一種在惰性氣體（氮氣、氦氣為主）環境中，用石墨加熱器將多晶矽等多晶材料熔化，用直拉法生長無錯位單晶矽的設備。在實際生產單晶矽過程中，它扮演著控制矽晶體的溫度和質量的關鍵作用。

由於單晶直徑在生長過程中可受到溫度、提拉速度與轉速、坩堝跟蹤速度、保護氣體流速等因素影響，其中生產的溫度主要決定能否成晶，而速度將直接影響到晶體的內在質量，而這種影響卻只能在單晶拉出後通過檢測才能獲知，單晶爐主要控制的方面包括晶體直徑、矽功率控制、洩漏率和氬氣質量等。

2、氣相外延爐

氣相外延爐主要是為矽的氣相外延生長提供特定的工藝環境，實現在單晶上生長與單晶晶相具有對應關係的薄層晶體。外延生長是指在單晶襯底（基片）上生長一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶層，猶如原來的晶體向外延伸了一段，為了製造高頻大功率器件，需要減小集電極串聯電阻，又要求材料能耐高壓和大電流，因此需要在低阻值襯底上生長一層薄的高阻外延層。

氣相外延爐能夠為單晶沉底實現功能化做基礎準備，氣相外延即化學氣相沉積的一種特殊工藝，其生長薄層的晶體結構是單晶襯底的延續，而且與襯底的晶向保持對應的關係。

3、氧化爐

矽與含有氧化物質的氣體，例如水汽和氧氣在高溫下進行化學反應，而在矽片表面產生一層緻密的二氧化矽薄膜，這是矽平面技術中一項重要的工藝。氧化爐的主要功能是為矽等半導體材料進行氧化處理，提供要求的氧化氛圍，實現半導體預期設計的氧化處理過程，是半導體加工過程的不可缺少的一個環節。

4、磁控濺射臺

磁控濺射是物理氣相沉積的一種，一般的濺射法可被用於製備半導體等材料，且具有設備簡單、易於控制、鍍膜面積大和附著力強等優點。在矽晶圓生產過程中，通過二極濺射中一個平行於靶表面的封閉磁場，和靶表面上形成的正交電磁場，把二次電子束縛在靶表面特定區域，實現高離子密度和高能量的電離，把靶原子或分子高速率濺射沉積在基片上形成薄膜。

5、化學機械拋光機

一種進行化學機械研磨的機器，在矽晶圓製造中，隨著製程技術的升級、導線與柵極尺寸的縮小，光刻技術對晶圓表面的平坦程度的要求越來越高，IBM公司於1985年發展CMOS產品引入，並在1990年成功應用於64MB的DRAM生產中，1995年以後，CMP技術得到了快速發展，大量應用於半導體產業。

化學機械研磨亦稱為化學機械拋光，其原理是化學腐蝕作用和機械去除作用相結合的加工技術，是目前機械加工中唯一可以實現表面全局平坦化的技術。在實際製造中，它主要的作用是通過機械研磨和化學液體溶解「腐蝕」的綜合作用，對被研磨體（半導體）進行研磨拋光。

6、光刻機

又名掩模對準曝光機、曝光系統、光刻系統等，常用的光刻機是掩膜對準光刻，一般的光刻工藝要經歷矽片表面清洗烘乾、塗底、旋塗光刻膠、軟烘、對準曝光、後烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。在矽片表面勻膠，然後將掩模版上的圖形轉移光刻膠上的過程將器件或電路結構臨時「複製」到矽片上的過程。

7、離子注入機

它是高壓小型加速器中的一種，應用數量最多。它是由離子源得到所需要的離子，經過加速得到幾百千電子伏能量的離子束流，用做半導體材料、大規模集成電路和器件的離子注入，還用於金屬材料表面改性和制膜等  。

在進行矽生產工藝裡面，需要用到離子注入機對半導體表面附近區域進行摻雜，離子注入機是集成電路製造前工序中的關鍵設備，離子注入是對半導體表面附近區域進行摻雜的技術目的是改變半導體的載流子濃度和導電類型，離子注入與常規熱摻雜工藝相比可對注入劑量角度和深度等方面進行精確的控制，克服了常規工藝的限制，降低了成本和功耗。

8、引線鍵合機

它的主要作用是把半導體晶片上的Pad與管腳上的Pad，用導電金屬線（金絲）連結起來。引線鍵合是一種使用細金屬線，利用熱、壓力、超聲波能量為使金屬引線與基板焊盤緊密焊合，實現晶片與基板間的電氣互連和晶片間的信息互通。在理想控制條件下，引線和基板間會發生電子共享或原子的相互擴散，從而使兩種金屬間實現原子量級上的鍵合。

9、晶圓劃片機

因為在製造矽晶圓的時候，往往是一整大片的晶圓，需要對它進行劃片和處理，這時候晶圓劃片機的價值就體現出了。之所以晶圓需要變換尺寸，是為了製作更複雜的集成電路。

10、晶圓減薄機

在矽晶圓製造中，對晶片的尺寸精度、幾何精度、表面潔淨度以及表面微晶格結構提出很高要求，因此在幾百道工藝流程中，不可採用較薄的晶片，只能採用一定厚度的晶片在工藝過程中傳遞、流片。晶圓減薄，是在製作集成電路中的晶圓體減小尺寸，為了製作更複雜的集成電路。在集成電路封裝前，需要對晶片背面多餘的基體材料去除一定的厚度，這一工藝需要的裝備就是晶片減薄機。

當然了，在實際的生產過程中，矽晶圓製造需要的設備遠遠不止這些，製造矽晶圓的難度不亞於航空母艦。之所以光刻機的關注度超越了其它半導體設備，這是由於它的技術難度是最高的，目前僅有荷蘭和美國等少數國家擁有核心技術。近年來，國內的企業不斷取得突破，在光刻機技術上也取得了不錯的成績，前不久，國產首臺超分辨光刻機被研製出來，一時間振奮了國人，隨著中國自主研發的技術不斷取得進步，未來中國自己生產的晶圓也將不斷問世。

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