硅晶圓是什么，如何制造？

來(lai)源：閱讀：503 發布時間：2021-12-16 09:37:53

在(zai)半(ban)導體(ti)的新聞中，總是(shi)(shi)會(hui)提(ti)到以(yi)尺寸(cun)(cun)標示(shi)的晶(jing)圓(yuan)廠(chang)，如 8 寸(cun)(cun)或是(shi)(shi) 12 寸(cun)(cun)晶(jing)圓(yuan)廠(chang)，然(ran)而(er)，所謂(wei)的晶(jing)圓(yuan)到底是(shi)(shi)什么東西？其中 8 寸(cun)(cun)指的是(shi)(shi)什么部分？要(yao)產(chan)出大尺寸(cun)(cun)的晶(jing)圓(yuan)制造又有什么難度呢？以(yi)下將逐步介紹半(ban)導體(ti)重要(yao)的基礎——“晶(jing)圓(yuan)”到底是(shi)(shi)什么。

　　何謂晶圓？

　　晶圓（wafer），是制造各式(shi)計算(suan)機(ji)芯(xin)片(pian)的(de)(de)基(ji)礎。我們可以將(jiang)芯(xin)片(pian)制造比擬(ni)成(cheng)(cheng)用樂高積木(mu)蓋房(fang)子，藉由(you)一層又一層的(de)(de)堆(dui)棧，完成(cheng)(cheng)自己期望的(de)(de)造型（也就(jiu)是各式(shi)芯(xin)片(pian)）。然而，如果(guo)沒有良好(hao)的(de)(de)地基(ji)，蓋出來(lai)的(de)(de)房(fang)子就(jiu)會歪來(lai)歪去，不合自己所意，為了做出好(hao)的(de)(de)房(fang)子，便需要一個平穩的(de)(de)基(ji)板。對(dui)芯(xin)片(pian)制造來(lai)說，這個基(ji)板就(jiu)是接下(xia)來(lai)將(jiang)描述(shu)的(de)(de)晶圓。

　　首先，先回(hui)想一下小(xiao)時候在玩樂高(gao)積木時，積木的(de)表(biao)(biao)面(mian)都會有一個一個小(xiao)小(xiao)圓型的(de)凸出(chu)物，藉由(you)這(zhe)個構造，我(wo)們可將(jiang)兩(liang)塊積木穩固的(de)迭在一起，且不需使用膠水。芯片制造，也是以(yi)類似這(zhe)樣的(de)方式，將(jiang)后續添(tian)加(jia)的(de)原(yuan)子(zi)和(he)基(ji)板固定在一起。因此，我(wo)們需要尋找表(biao)(biao)面(mian)整齊的(de)基(ji)板，以(yi)滿(man)足后續制造所需的(de)條件。

　　在固體(ti)材(cai)料中，有一(yi)(yi)種特殊的(de)(de)晶體(ti)結構──單晶（Monocrystalline）。它具有原子一(yi)(yi)個(ge)(ge)接著一(yi)(yi)個(ge)(ge)緊密排(pai)列(lie)在一(yi)(yi)起的(de)(de)特性，可以形成一(yi)(yi)個(ge)(ge)平整(zheng)的(de)(de)原子表層。因此，采用單晶做成晶圓，便(bian)可以滿足以上的(de)(de)需(xu)求(qiu)。然(ran)而，該(gai)如何產生這樣(yang)的(de)(de)材(cai)料呢，主要有二個(ge)(ge)步驟，分(fen)別為純化以及拉晶，之后便(bian)能完成這樣(yang)的(de)(de)材(cai)料。

　　如何制造單晶(jing)的晶(jing)圓

　　純(chun)化分成兩個階段，第一步是冶金(jin)(jin)級(ji)純(chun)化，此(ci)(ci)一過程(cheng)主要是加(jia)入(ru)碳(tan)，以氧化還(huan)原的方式，將氧化硅(gui)轉換成 98% 以上純(chun)度的硅(gui)。大部份的金(jin)(jin)屬提煉，像(xiang)是鐵或銅等金(jin)(jin)屬，皆是采用這樣的方式獲得(de)足夠(gou)(gou)純(chun)度的金(jin)(jin)屬。但(dan)是，98% 對于芯片制造(zao)來說依舊不夠(gou)(gou)，仍需(xu)要進一步提升。因此(ci)(ci)，將再進一步采用西(xi)門子制程(cheng)（Siemens process）作純(chun)化，如此(ci)(ci)，將獲得(de)半導(dao)體制程(cheng)所需(xu)的高(gao)純(chun)度多晶硅(gui)。

接著，就是(shi)拉(la)晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)步驟。首(shou)先，將前面(mian)所獲得的(de)(de)(de)高(gao)純度多晶(jing)(jing)(jing)硅融化，形成液(ye)態的(de)(de)(de)硅。之后，以單晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)硅種（seed）和液(ye)體表面(mian)接觸，一邊旋轉(zhuan)一邊緩慢的(de)(de)(de)向上拉(la)起。至于為何需要(yao)(yao)單晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)硅種，是(shi)因為硅原子排(pai)列(lie)就和人排(pai)隊一樣(yang)，會需要(yao)(yao)排(pai)頭讓后來(lai)的(de)(de)(de)人該(gai)如何正(zheng)確的(de)(de)(de)排(pai)列(lie)，硅種便(bian)是(shi)重(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)(de)排(pai)頭，讓后來(lai)的(de)(de)(de)原子知道該(gai)如何排(pai)隊。最后，待(dai)離開液(ye)面(mian)的(de)(de)(de)硅原子凝固后，排(pai)列(lie)整(zheng)齊的(de)(de)(de)單晶(jing)(jing)(jing)硅柱便(bian)完成了。

然而(er)，8寸(cun)(cun)、12寸(cun)(cun)又代(dai)表什么(me)東西(xi)呢？他指的(de)(de)是我(wo)們產生的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)柱(zhu)(zhu)，長得(de)像(xiang)鉛筆筆桿的(de)(de)部分，表面經過(guo)處理(li)并切成薄圓(yuan)片后的(de)(de)直徑(jing)。至(zhi)于制造大(da)尺(chi)寸(cun)(cun)晶(jing)(jing)(jing)(jing)圓(yuan)又有什么(me)難(nan)度呢？如(ru)前(qian)面所說，晶(jing)(jing)(jing)(jing)柱(zhu)(zhu)的(de)(de)制作過(guo)程就(jiu)像(xiang)是在(zai)做棉花糖(tang)一樣，一邊旋(xuan)轉(zhuan)一邊成型。有制作過(guo)棉花糖(tang)的(de)(de)話，應該都知道(dao)要做出大(da)而(er)且扎(zha)實的(de)(de)棉花糖(tang)是相當困難(nan)的(de)(de)，而(er)拉晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)過(guo)程也(ye)是一樣，旋(xuan)轉(zhuan)拉起(qi)的(de)(de)速度以及溫(wen)度的(de)(de)控制都會影響到晶(jing)(jing)(jing)(jing)柱(zhu)(zhu)的(de)(de)質量。也(ye)因(yin)此(ci)，尺(chi)寸(cun)(cun)愈大(da)時，拉晶(jing)(jing)(jing)(jing)對速度與溫(wen)度的(de)(de)要求就(jiu)更(geng)高(gao)(gao)，因(yin)此(ci)要做出高(gao)(gao)質量 12 寸(cun)(cun)晶(jing)(jing)(jing)(jing)圓(yuan)的(de)(de)難(nan)度就(jiu)比 8 寸(cun)(cun)晶(jing)(jing)(jing)(jing)圓(yuan)還(huan)來(lai)得(de)高(gao)(gao)。

　　只是，一(yi)(yi)整條的(de)硅柱并(bing)無法做成(cheng)芯(xin)片(pian)制(zhi)造的(de)基(ji)板，為了產生一(yi)(yi)片(pian)一(yi)(yi)片(pian)的(de)硅晶圓(yuan)，接著需要以鉆石刀(dao)將(jiang)硅晶柱橫向切成(cheng)圓(yuan)片(pian)，圓(yuan)片(pian)再經由拋光(guang)便可形成(cheng)芯(xin)片(pian)制(zhi)造所需的(de)硅晶圓(yuan)。經過這么多步驟(zou)(zou)，芯(xin)片(pian)基(ji)板的(de)制(zhi)造便大功告(gao)成(cheng)，下一(yi)(yi)步便是堆棧(zhan)房子的(de)步驟(zou)(zou)，也就是芯(xin)片(pian)制(zhi)造。