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”，由此可見硅對電子工業(yè)的重要性。硅元素是世界上儲量最豐富的元素之一，然而它對我們來說卻是既熟悉又陌生，這次就和大家一起來近距離認(rèn)識一下這位老朋友，然后看看究竟如何用硅制造出晶圓來。 固有特性眾所周知，硅（舊稱矽，英文名稱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。對于芯片制造業(yè)和太陽能電池工業(yè)來說，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。硅看起來就是下圖這個(gè)樣子：半導(dǎo)體毫無疑問，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)率會隨著有無雜質(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，可分為空穴型半導(dǎo)體和電子型半導(dǎo)體，前者通過晶體中的空穴導(dǎo)電，后者和金屬一樣通過電子導(dǎo)電。單晶硅的生產(chǎn)（1）硅的主要來源是石英砂（二氧化硅），硅元素和氧元素通過共價(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，換句話說就是要將

3、硅還原出來，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)碳就會將硅還原出來?；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)，稱為冶金級硅，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，換句話說，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)體硅晶體對于芯片制造來說還是太小，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”長出了所謂的“肩部

5、”長出了所謂的“身體”這樣一段時(shí)間之后就會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，最大長度為3米。以上所簡述的硅晶棒制造方法被稱為切克勞斯法（Czochralski process，也稱為柴氏長晶法），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）和浮動區(qū)法（floating zone process）都可以用來制造單晶硅。芯片成形上面生產(chǎn)出的硅晶棒首先經(jīng)過打磨，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)過分割、打磨、測試等若干步驟，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)行測試等若干步驟，一