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事实揭露 揭密真相
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矽晶圆

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矽晶圆,是由高纯度的矽原料(Silicon)制成,经切割后而成的圆形薄板,是用于制造半导体元件的基板材料。其原始材料“ 矽 ”,是将二氧化矽矿石,经由电弧炉提炼、盐酸氯化及蒸馏处理后,制成高纯度的多晶矽(其纯度要求高达 99.999999% )。将此多晶矽加热溶解后再透过“长晶”这个过程将其拉成不同尺寸的矽晶圆。而依面积大小有 3吋、 4吋、 5吋、 6吋、 8吋及 12吋等规格之分(我们现在常在新闻中听到 8 吋、 12 吋晶圆),这些矽晶圆经送至 晶圆厂 内制造晶片电路后,再经切割、测试、封装等程序,即成为市面上一颗颗的 IC[1]。现今,半导体被广泛应用在智慧型手机、个人电脑、电视、汽车、电动车等的电子机器之中,此材料可以说是支持著我们的日常生活,扮演著非常重要的角色。随著5G、IoT、EV Car、AI等新应用的普及,预测半导体市场的未来仍会持续成长[2]


晶圆材料简介

1950年代初期以前,是最普遍被使用的半导体材料,但因其能隙较小(仅0.66eV),使其操作温度只能达到90℃,加上锗的另一项缺点,是无法在表面提供一稳定的钝性氧化层,反观不仅能隙较大(1.12eV),使得操作温度可以高达200℃,况且矽晶表面可以形成一稳定氧化层(SiO2),都让矽在半导体的应用优于锗,因为氧化层可以被用在基本的积体电路架构中,虽然GaAs被发现有比矽具有更高的电子移动率(electron mobility),且有直接能隙(direct bandgap),所以一度被寄与高度期待,可惜因高品质及大尺寸GaAs不易生产,因此仍无法撼动矽晶材料在半导体产业的地位。

目前半导体产业所使用的矽晶圆材料,依其制程设计和产品差异主要分为抛光晶圆(polished wafer)及磊晶晶圆(epitaxial wafer)两种,其均由高纯度电子级多晶矽经由长晶(crystal pulling)、切片(slicing)、磨边(beveling)、磨面(lapping)、蚀刻(etching)、抛光(polishing)、清洗(cleaning)等步骤,而生成一符合电性、表面物性、杂质标准等规格的抛光晶圆,抛光晶圆如果再经由化学气相沉积反应,成长一层不同电阻率的单晶薄膜,就成为磊晶晶圆,为因应半导体元件发展趋势,目前还有所谓的先进矽晶圆材料,例如:热处理晶圆(anneal wafer)、SOI (silicon-on-insulator)晶圆等,若在蚀刻之前经过不同thermal cycle(调整热处理温度、时间等)或掺杂N,使晶圆表面性质更佳,便是热处理晶圆,SOI晶圆则是由矽及氧化矽作成三明治结构,适合应用作高速、高电压或省电元件。整个矽晶圆材料的生产制造系以长晶制程为主轴,因为矽晶圆材料主要性质是由晶体生长过程所决定,后段加工制程则在于避免造成其他的污染源与缺陷[3]

矽晶圆材料长晶法又分为CZ(Czochralski)法与FZ(float zone)法,前法所长出的矽晶圆,主要用来生产低功率积体电路元件,FZ法生长出的矽晶圆,则主要用在高功率电子元件,随著IC技术线宽日益缩小,矽晶圆材料的微缺陷,例如COP(Crystal Originated Particle)、D-defects,对制程良率的影响更为显著,也势必促使矽晶圆材料规格要求更趋严格。

视频

矽晶圆的制作流程跟方法是如何呢?

参考资料