硅晶片

硅晶片

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中文名: 硅晶片 外文名: Silicon wafer 別 名: 晶圓片 顏 色: 灰色 特 點: 易碎 性 質: 非金屬化學元素

元素硅是一種灰色、易碎、四價的非金屬化學元素。地殼成分中27.8%是硅元素構成的，僅次於氧元素含量排行第二，硅是自然界 中比較富的元素。在石英、瑪瑙、燧石和普通的灘石中就可以發現硅元素。硅晶片又稱晶圓片，是由硅錠加工而成的，通過專門的工藝可以在硅晶片上刻蝕出數以百萬計的晶體管，被廣泛應用於集成電路的製造。

目錄

晶圓片

硅屬於半導體材料，其自身的導電性並不是很好。然而，可以通過添加適當的摻雜劑來精確控制它的電阻率。製造半導體前，必須將硅轉換為晶圓片(wafer)。這要從硅錠的生長開始。單晶硅是原子以三維空間模式周期形成的固體，這種模式貫穿整個材料。多晶硅是很多具有不同晶向的小單晶體單獨形成的，不能用來做半導體電路。多晶硅必須融化成單晶體，才能加工成半導體應用中使用的晶圓片。加工硅晶片生成一個硅錠要花一周到一個月的時間，這取決於很多因素，包括大小、質量和終端用戶要求。超過75% 的單晶硅晶圓片都是通過Czochralski(CZ，也叫提拉法)方法生長的。

硅錠生長需要大塊的純淨多晶硅，將這些塊狀物連同少量的特殊III、V族元素放置在石英坩堝中，這稱為摻雜。加入的摻雜劑使那些長大的硅錠表現出所需要的電特性。最普通的摻雜劑是硼、磷、砷和銻。因使用的摻雜劑不同，會成為一個P型或N型的硅錠（P 型/硼，N型/磷、銻、砷）。

熔融

然後將這些物質加熱到硅的熔點——攝氏1420度之上。一旦多晶硅和摻雜劑混合物熔解，便將單晶硅種子放在熔解物的上面，只接觸表面。種子與要求的成品硅錠有相同的晶向。為了使摻雜均勻，子晶和用來熔化硅的坩堝要以相反的方向旋轉。一旦達到晶體生長的條件，子晶就從熔化物中慢慢被提起。生長過程開始於快速提拉子晶，以便使生長過程初期中子晶內的晶缺陷降到最少。然後降低拖拉速度，使晶體的直徑增大。當達到所要求的直徑時，生長條件就穩定下來以保持該直徑。因為種子是慢慢浮出熔化物的，種子和熔化物間的表面張力在子晶表面上形成一層薄的硅膜，然後冷卻。冷卻時，已熔化硅中的原子會按照子晶的晶體結構自我定向。硅錠完全長大時，它的初始直徑要比最終晶圓片要求的直徑大一點。

切割

接下來硅錠被刻出一個小豁口或一個小平面，以顯示晶向。一旦通過檢查，就將硅錠切割成晶圓片。由於硅很硬，要用金剛石鋸來準確切割晶圓片，以得到比要求尺寸要厚一些的晶片。金剛石鋸也有助於減少對晶圓片的損傷、厚度不均、彎曲以及翹曲缺陷。

研磨

切割晶圓片後，開始進入研磨工藝。研磨晶圓片以減少正面和背面的鋸痕和表面損傷。同時打薄晶圓片並幫助釋放切割過程中積累的應力。

刻蝕和清洗

研磨後，進入刻蝕和清洗工藝，使用氫氧化鈉、乙酸和硝酸的混合物以減輕磨片過程中產生的損傷和裂紋。關鍵的倒角工藝是要將晶圓片的邊緣磨圓，徹底消除將來電路製作過程中破損的可能性。倒角後，要按照最終用戶的要求，經常需要對邊緣進行拋光，提高整體清潔度以進一步減少破損。拋光(化學機械拋光，Chemical Mechanical Polishing)　生產過程中最重要的工藝是拋光晶圓 片，此工藝在超淨間中進行。超淨間從一到一萬分級，這些級數對應於每立方米空間中的顆粒數。這些顆粒在沒有控制的大氣環境下肉眼是不可見的。例如起居室或辦公室中顆粒的數目大致在每立方米五百萬個。為了保持潔淨水平，生產工人必須穿能蓋住全身且不吸引和攜帶顆粒的潔淨服。在進入超淨間前，工人必須進入吸塵室內以吹走可能積聚的任何顆粒。硅晶片大多數生產型晶圓片都要經過兩三次的拋光，拋光料是細漿或者拋光化合物。多數情況下，晶圓片僅僅是正面拋光，而300毫米的晶圓片需要雙面拋光。除雙面拋光以外，拋光將使晶圓片的一面象鏡面一樣。拋光面用來生產電路，這面必須沒有任何突起、微紋、劃痕和殘留損傷。

拋光過程分為兩個步驟，切削和最終拋光。這兩步都要用到拋光墊和拋光漿。切削過程是去除硅上薄薄的一層，以生產出表面沒有損傷的晶圓片。最終拋光並不去除任何物質，只是從拋光表面去除切削過程中產生的微坑。拋光後，晶圓片要通過一系列清洗槽的清洗，這一過程是為去除表面顆粒、金屬劃痕和殘留物。之後，要經常進行背面擦洗以去除最小的顆粒。這些晶圓片經過清洗後，將他們按照最終用戶的要求分類，並在高強度燈光或激光掃描系統下檢查，以便發現不必要的顆粒或其他缺陷。一旦通過一系列的嚴格檢測，最終的晶圓片即被包裝在片盒中並用膠帶密封。然後把它們放在真空封裝的塑料箱子裡，外部再用防護緊密的箱子封裝，以確保離開超淨間時沒有任何顆粒和濕氣進入片盒。

產品應用

半導體或芯片是由硅生產出來的。晶圓片上刻蝕出數以百萬計的晶體管，這些晶體管比人的頭髮要細小上百倍。半導體通過控制電流來管理數據，形成各種文字、數字、聲音、圖象和色彩。它們被廣泛用於集成電路，並間接被地球上的每個人使用。這些應用有些是日常應用，如計算機、電信和電視，還有的應用於先進的微波傳送、激光轉換系統、醫療診斷和治療設備、防禦系統和NASA航天飛機。