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为什么造芯片是光刻晶圆而不是晶“方”呢?
因为晶圆是由单晶硅柱切割而来,单晶硅柱是由熔融状态硅化合物提纯得到,提纯过程中需要不断旋转提高用于单晶硅生长的硅棒,旋转的动作导致最终生长出来的单晶硅为圆柱而非方柱形状,切割出来自然就不是晶方了。
(1)目前制作半导体集成电路芯片、大规模半导体集成电路芯片、超大规模集成电路芯片,所使用的半导体衬底材料,大多是硅单晶(只有在工作频率特别高的场合下,才使用砷化镓单晶)。这就是晶圆中“晶”字的含义;下面交待晶圆中“圆”字的含义、或者说不叫作晶“方”的原因。
(2)自然界中既不存在硅单晶,也不存在单质硅。集成电路的原材料,要先从石英砂(二氧化硅)做起。
①虽然地壳矿物质中,硅元素含量最丰,约28.15%,但几乎全部为二氧化硅和硅酸盐之类的化合物。而且世界上只有挪威和巴西的石英砂(二氧化硅)可以作为制作硅单晶的原始材料,其它地方出产的石英砂全不堪用(因为哪怕只有痕迹量的铁类杂质也是难以摒除的,因而不能***用)。石英砂的照片见图1。
②高纯度二氧化硅经过化学还原反应,生成金属级别的硅。再将其与氯化氢气体反应,生成甲硅烷和三氯硅烷等中间化合物;再与高纯氢气发生化学气相沉积反应,使超高纯度的单质硅析出在多晶硅仔晶棒上,形成多晶硅棒。这时硅的杂质浓度降低到了十亿分之一个原子以下,是世界上到目前为止纯度最高的人工物质。接着将多晶硅棒粉碎成适当大小的颗粒,清洗干净,再根据需要制作的半导体单晶硅衬底的类型,有控制地掺入适当微量的杂质。如果要制成p型半导体衬底,就掺入微量的硼元素;要制成n型半导体,就掺入微量的磷元素或锑元素。掺入量的多少取决于要制作的单晶硅衬底的体电阻率。
③然后,将这些掺杂后的多晶硅颗粒放入单晶硅生长设备的石英坩埚内的石墨坩埚中,去拉制单晶硅锭。常见的两种单晶硅锭生长方法是提拉法和浮动区域熔融法,其中后一种方法属于早期***用的方法。图2显示的是单晶硅的拉制过程。图3是多晶硅变化为单晶硅过程中的硅原子排列模型。图4是拉制出的纺锤状单晶硅锭。图5是通过内圆刀切割纺锤状单晶硅锭的方法,形成“晶圆”的过程示意图(横向切割纺锤体状单晶硅,切割下来的单晶片无疑应当是晶“圆”片,而不可能是晶“方”片了)。再接下来,将晶圆片倒角、机械研磨、化学研磨、退火、镜面研磨、清洗,转入后面的半导体集成电路芯片制作阶段。
④在同一片晶圆片上,会制作出许许多多一个个完全相同的集成电路(或大规模、超大规模集成电路)芯片。在一整片晶圆片上制作芯片完成后,再将整片晶圆切割成一个个的集成电路芯片,见图6。最后,才将小小的集成电路芯片封装进集成电路外壳,见图7,就是我们常见到的集成电路了。
我们现实中比较常见到的硅晶片就要数电脑CPU和手机芯片啦!于是,茶余饭后就有很多小白和吃瓜群众们心生疑问“晶圆为什么是圆的而不是方的呢?”晶圆(英语:Wafer)是指硅半导体集成电路制作所用的硅芯片,是生产集成电路(integrated circuit,IC)所用的载体。
什么是晶圆?
在半导体行业,尤其是集成电路领域,晶圆的身影随处可见。晶圆就是一块薄薄的、圆形的高纯硅晶片,而在这种高纯硅晶片上可以加工制作出各种电路元件结构,使之成为有特定电性功能的IC产品。小伙伴或许在新闻中见过晶圆,通常他们是下图的样子。
制作工艺决定了它是圆形的
对于晶圆来说,其主要成分就是单晶硅。而硅在地球上的存量十分丰富,我们随手在地上抓一把砂子里面的主要成分就是二氧化硅。氧化硅矿石经由电弧炉提炼,盐酸氯化,并经蒸馏后,制成了高纯度的多晶硅,其纯度高达99.999999999%。
由于提纯往后的高纯度多晶硅是在一个子晶(seed)上旋转成长出来的。多晶硅被消融后放入一个坩埚(Quartz Crucible)中,再将子晶放入坩埚中匀速转动并且向上提拉,则熔融的硅会沿着子晶向长成一个圆柱体的硅锭(ingot)。这种办法就是现在一向在用的CZ法(Czochralski),也叫单晶直拉法。如下图:
然后硅锭在通过金刚线切割变成硅片:
为什么晶圆是圆形的呢?其实,就是因为这种特殊的工艺所致。单晶直拉法工艺中的旋转提拉决定了硅锭的圆柱型,所以在进行切割后大多也都是圆形。
严格意义上晶圆都不是圆形的
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