晶圓是怎樣煉成的

1、PC深入探究-晶圓是怎樣“煉”成的 硬件發(fā)燒友們都很清楚，我們心愛(ài)的電腦中最重要組成部分各種芯片的核心是以硅元素為基礎(chǔ)晶圓制造的，硅甚至被譽(yù)為“電之元素”，由此可見(jiàn)硅對(duì)電子工業(yè)的重要性。硅元素是世界上儲(chǔ)量最豐富的元素之一，然而它對(duì)我們來(lái)說(shuō)卻是既熟悉又陌生，這次就和大家一起來(lái)近距離認(rèn)識(shí)一下這位老朋友，然后看看究竟如何用硅制造出晶圓來(lái)。 固有特性眾所周知，硅（舊稱(chēng)矽，英文名稱(chēng)Silicon）是一種非金屬元素，位于元素周期表中第4主族，原子序數(shù)14，元素符號(hào)為Si，它的熔點(diǎn)為1410°C，沸點(diǎn)為2355°C。地殼含有的各元素中硅的含量高達(dá)26%，僅次于氧元素，硅常常以沙子或者石英

2、等形式存在于地表及巖石中。對(duì)于芯片制造業(yè)和太陽(yáng)能電池工業(yè)來(lái)說(shuō)，都需要極高純度的硅，而我們能從上述各種礦石（主要成分均為二氧化硅）中提煉出幾乎完全純凈的硅。硅看起來(lái)就是下圖這個(gè)樣子：半導(dǎo)體毫無(wú)疑問(wèn)，硅元素的價(jià)值在于它是一種半導(dǎo)體電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣體之間，并且電導(dǎo)率會(huì)隨著有無(wú)雜質(zhì)及溫度變化而顯著變化的一種物質(zhì)。除了硅之外，鍺、硒和氧化錫等均為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體有不同的種類(lèi)，可分為空穴型半導(dǎo)體和電子型半導(dǎo)體，前者通過(guò)晶體中的空穴導(dǎo)電，后者和金屬一樣通過(guò)電子導(dǎo)電。單晶硅的生產(chǎn)（1）硅的主要來(lái)源是石英砂（二氧化硅），硅元素和氧元素通過(guò)共價(jià)鍵連接在一起。因此需要將氧元素從二氧化硅中分離出來(lái)，換句話(huà)說(shuō)就是要將

3、硅還原出來(lái)，采用的方法是將二氧化硅和碳元素（可以用煤、焦炭和木屑等）一起在電弧爐中加熱至2100°C左右，這時(shí)碳就會(huì)將硅還原出來(lái)?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式為：SiO2 (s) + 2C (s) = Si (s) + 2CO (g)（吸熱）（2）上一步驟中得到的硅中仍有大約2%的雜質(zhì)，稱(chēng)為冶金級(jí)硅，其純度與半導(dǎo)體工業(yè)要求的相差甚遠(yuǎn)，因此還需要進(jìn)一步提純。方法則是在流化床反應(yīng)器中混合冶金級(jí)硅和氯化氫氣體，最后得到沸點(diǎn)僅有31°C的三氯化硅?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式為：Si (s) + 3HCl (g) = SiHCl3 (g) + H2 (g)（放熱）（3）隨后將三氯化硅和氫氣的混合物蒸餾后再和加

4、熱到1100°C的硅棒一起通過(guò)氣相沉積反應(yīng)爐中，從而除去氫氣，同時(shí)析出固態(tài)的硅，擊碎后便成為塊狀多晶硅。這樣就可以得到純度為99.9999999%的硅，換句話(huà)說(shuō)，也就是平均十億個(gè)硅原子中才有一個(gè)雜質(zhì)原子。（4）進(jìn)行到目前為止，半導(dǎo)體硅晶體對(duì)于芯片制造來(lái)說(shuō)還是太小，因此需要把塊狀多晶硅放入坩堝內(nèi)加熱到1440°C以再次熔化，如下圖所示：正在熔化的硅顆粒液態(tài)硅為了防止硅在高溫下被氧化，坩堝會(huì)被抽成真空并注入惰性氣體氬氣。之后用純度99.7%的鎢絲懸掛硅晶種探入熔融硅中，晶體成長(zhǎng)時(shí)，以220轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速及310毫米/分鐘的速率緩慢從熔液中拉出：探入晶體“種子”長(zhǎng)出了所謂的“肩部

5、”長(zhǎng)出了所謂的“身體”這樣一段時(shí)間之后就會(huì)得到一根純度極高的硅晶棒，理論上最大直徑可達(dá)45厘米，最大長(zhǎng)度為3米。以上所簡(jiǎn)述的硅晶棒制造方法被稱(chēng)為切克勞斯法（Czochralski process，也稱(chēng)為柴氏長(zhǎng)晶法），此種方法因成本較低而被廣泛采用，除此之外，還有V-布里奇曼法（Vertikalern Bridgman process）和浮動(dòng)區(qū)法（floating zone process）都可以用來(lái)制造單晶硅。芯片成形上面生產(chǎn)出的硅晶棒首先經(jīng)過(guò)打磨，然后用金剛石鋸切成大約1毫米厚的圓片，然后再經(jīng)過(guò)精細(xì)打磨、去除瑕疵的若干步驟就得到所謂的晶圓（Wafer），之后就要在晶圓上添入摻雜物以及用蝕刻法分層制造出電路，然后經(jīng)過(guò)分割、打磨、測(cè)試等若干步驟，最后將芯片用塑料、陶瓷等材料進(jìn)行封裝并引出鍍金引腳，再進(jìn)行測(cè)試等若干步驟，一