晶圓是指硅半導(dǎo)體集成電路制作所用的硅晶片,,由于其形狀為圓形,故稱為晶圓,;在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結(jié)構(gòu),,而成為有特定電性功能之IC產(chǎn)品,。晶圓的原始材料是硅,而地殼表面有用之不竭的二氧化硅,。
晶圓是制造半導(dǎo)體芯片的基本材料,,半導(dǎo)體集成電路最主要的原料是硅,因此對(duì)應(yīng)的就是硅晶圓,。
硅在自然界中以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在于巖石,、砂礫中,硅晶圓的制造可以歸納為三個(gè)基本步驟:硅提煉及提純,、單晶硅生長(zhǎng),、晶圓成型。
首先是硅提純,,將沙石原料放入一個(gè)溫度約為2000℃,,并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硅進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)(碳與氧結(jié)合,,剩下硅),得到純度約為98%的純硅,,又稱作冶金級(jí)硅,,這對(duì)微電子器件來說不夠純,因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電學(xué)特性對(duì)雜質(zhì)的濃度非常敏感,因此對(duì)冶金級(jí)硅進(jìn)行進(jìn)一步提純:將粉碎的冶金級(jí)硅與氣態(tài)的氯化氫進(jìn)行氯化反應(yīng),,生成液態(tài)的硅烷,,然后通過蒸餾和化學(xué)還原工藝,得到了高純度的多晶硅,,其純度高達(dá)99.999999999%,,成為電子級(jí)硅。
接下來是單晶硅生長(zhǎng),,最常用的方法叫直拉法,。如下圖所示,高純度的多晶硅放在石英坩堝中,,并用外面圍繞著的石墨加熱器不斷加熱,,溫度維持在大約1400℃,爐中的空氣通常是惰性氣體,,使多晶硅熔化,,同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生不需要的化學(xué)反應(yīng)。為了形成單晶硅,,還需要控制晶體的方向:坩堝帶著多晶硅熔化物在旋轉(zhuǎn),,把一顆籽晶浸入其中,并且由拉制棒帶著籽晶作反方向旋轉(zhuǎn),,同時(shí)慢慢地,、垂直地由硅熔化物中向上拉出。熔化的多晶硅會(huì)粘在籽晶的底端,,按籽晶晶格排列的方向不斷地生長(zhǎng)上去,。因此所生長(zhǎng)的晶體的方向性是由籽晶所決定的,在其被拉出和冷卻后就生長(zhǎng)成了與籽晶內(nèi)部晶格方向相同的單晶硅棒,。用直拉法生長(zhǎng)后,,單晶棒將按適當(dāng)?shù)某叽邕M(jìn)行切割,然后進(jìn)行研磨,,將凹凸的切痕磨掉,,再用化學(xué)機(jī)械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡,晶圓片制造就完成了,。
單晶硅棒的直徑是由籽晶拉出的速度和旋轉(zhuǎn)速度決定的,,一般來說,上拉速率越慢,,生長(zhǎng)的單晶硅棒直徑越大,。而切出的晶圓片的厚度與直徑有關(guān),雖然半導(dǎo)體器件的制備只在晶圓的頂部幾微米的范圍內(nèi)完成,,但是晶圓的厚度一般要達(dá)到1mm,才能保證足夠的機(jī)械應(yīng)力支撐,因此晶圓的厚度會(huì)隨直徑的增長(zhǎng)而增長(zhǎng),。
晶圓制造廠把這些多晶硅融解,,再在融液里種入籽晶,然后將其慢慢拉出,,以形成圓柱狀的單晶硅晶棒,,由于硅晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態(tài)的硅原料中逐漸生成,此過程稱為“長(zhǎng)晶”,。硅晶棒再經(jīng)過切段,,滾磨,切片,,倒角,,拋光,激光刻,,包裝后,,即成為集成電路工廠的基本原料——硅晶圓片,這就是“晶圓”,。
硅是由石英砂所精練出來的,,晶圓便是硅元素加以純化(99.999%),接著是將這些純硅制成硅晶棒,,成為制造集成電路的石英半導(dǎo)體的材料,,經(jīng)過照相制版,研磨,,拋光,,切片等程序,將多晶硅融解拉出單晶硅晶棒,,然后切割成一片一片薄薄的晶圓,。
硅片是制作晶體管和集成電路的原料。一般是單晶硅的切片,。硅片,,是制作集成電路的重要材料,通過對(duì)硅片進(jìn)行光刻,、離子注入等手段,,可以制成各種半導(dǎo)體器件。用硅片制成的芯片有著驚人的運(yùn)算能力,??茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷推動(dòng)著半導(dǎo)體的發(fā)展。自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)等技術(shù)發(fā)展,,使硅片(集成電路)這種高技術(shù)產(chǎn)品的造價(jià)已降到十分低廉的程度,。
硅片規(guī)格有多種分類方法,,可以按照硅片直徑、單晶生長(zhǎng)方法,、摻雜類型等參量和用途來劃分種類,。
硅片直徑主要有3英寸、4英寸,、6英寸,、8英寸、12英寸(300mm),,目前已發(fā)展到18英寸(450mm)等規(guī)格,。直徑越大,在一個(gè)硅片上經(jīng)一次工藝循環(huán)可制作的集成電路芯片數(shù)就越多,,每個(gè)芯片的成本也就越低,。因此,更大直徑硅片是硅片制各技術(shù)的發(fā)展方向,。但硅片尺寸越大,,對(duì)微電子工藝設(shè)各、材料和技術(shù)的要求也就越高,。
直拉法制各的單晶硅,,稱為CZ硅(片);磁控直拉法制各的單晶硅,稱為MCZ硅(片);懸浮區(qū)熔法制各的單晶硅,,稱為FZ硅(片);用外延法在單晶硅或其他單晶襯底上生長(zhǎng)硅外延層,,稱為外延(硅片)。
未切割的單晶硅材料是一種薄型圓片叫晶圓片,,是半導(dǎo)體行業(yè)的原材料,,割后叫硅片,通過對(duì)硅片進(jìn)行光刻,、離子注入等手段,,可以制成各種半導(dǎo)體器件。