制作一顆硅晶圓需要多少種半導(dǎo)體設(shè)備？光刻機(jī)僅僅是九牛一毛

　　眾所周知，半導(dǎo)體作為最重要的產(chǎn)業(yè)之一，每年為全球貢獻(xiàn)近五千億美金的產(chǎn)值，可以毫不夸張的說(shuō)，半導(dǎo)體技術(shù)無(wú)處不在。俗話說(shuō)：巧婦難為無(wú)米之炊，硅晶圓作為制造半導(dǎo)體器件和芯片的基本材料，在產(chǎn)業(yè)中扮演著舉足輕重的地位，硅是當(dāng)今最重要、應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料。

　　硅是非常常見的物質(zhì)，如沙子里面就有二氧化硅，但沙子到硅晶體這可是個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，如沙子要經(jīng)過(guò)提純、高溫整形再到旋轉(zhuǎn)拉伸……單晶硅是晶圓最初始的狀態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用中仍不行，還需要制造成晶圓，而且是要求很高的圓圓晶體。在實(shí)際的生產(chǎn)中，我們通常將二氧化硅還原成單晶硅，但是這個(gè)過(guò)程難度很高，因?yàn)閷?shí)際用到的晶圓純度很高，要達(dá)到99.999%以上，常用的晶圓生產(chǎn)過(guò)程包括硅的純化、純硅制成硅晶棒、制造成電路的石英半導(dǎo)體材料、照相制版、硅材料研磨和拋光、多晶硅融解然后拉出單晶硅晶棒再到最后切割成一片薄薄的晶圓。

　　常見的硅晶圓生產(chǎn)流程

　　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，硅晶圓的制造有三大步驟：硅提煉及提純、單晶硅生長(zhǎng)、晶圓成型。

　　一、 硅提煉及提純

　　硅的提純是第一道工序，需將沙石原料放入一個(gè)溫度超過(guò)兩千攝氏度的并有碳源的電弧熔爐中，在高溫下發(fā)生還原反應(yīng)得到冶金級(jí)硅，然后將粉碎的冶金級(jí)硅與氣態(tài)的氯化氫反應(yīng)，生成液態(tài)的硅烷，然后通過(guò)蒸餾和化學(xué)還原工藝，得到了高純度的多晶硅。

　　二、 單晶硅生長(zhǎng)

　　(用直拉法制造晶圓的流程圖，OFweek電子工程網(wǎng)制作)

　　晶圓企業(yè)常用的是直拉法，如上圖所示，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，溫度維持在大約一千多攝氏度，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。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，再用化學(xué)機(jī)械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡，這時(shí)候晶圓片就制造完成了。

　　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。

　　三、晶圓成型

　　完成了上述兩道工藝， 硅晶棒再經(jīng)過(guò)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”。

　　在現(xiàn)實(shí)中，經(jīng)常會(huì)聽到人們講幾寸晶圓廠，它是說(shuō)生產(chǎn)單片晶圓的尺寸。一般情況下，硅晶圓直徑越大，代表晶圓廠技術(shù)實(shí)力越強(qiáng)，如中芯國(guó)際以12寸晶圓為主，臺(tái)積電的8寸晶圓等。為了將電晶體與導(dǎo)線尺寸縮小，可以將幾片晶圓制作在同一片晶圓上，制作出更多的硅晶粒，但是硅晶圓生產(chǎn)最關(guān)鍵的參數(shù)就是良品率，這是晶圓廠的核心技術(shù)參數(shù)，它與硅晶圓生產(chǎn)設(shè)備的質(zhì)量密不可分。

　　制造一顆硅晶圓需要的半導(dǎo)體設(shè)備

　　制作一顆硅晶圓需要的半導(dǎo)體設(shè)備大致有十個(gè)，它們分別是單晶爐、氣相外延爐、氧化爐、磁控濺射臺(tái)、化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)、光刻機(jī)、離子注入機(jī)、引線鍵合機(jī)、晶圓劃片機(jī)、晶圓減薄機(jī)，其實(shí)光刻機(jī)只是九牛一毛。

　　1、單晶爐

　　單晶爐是一種在惰性氣體(氮?dú)?、氦氣為?環(huán)境中，用石墨加熱器將多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生長(zhǎng)無(wú)錯(cuò)位單晶硅的設(shè)備。在實(shí)際生產(chǎn)單晶硅過(guò)程中，它扮演著控制硅晶體的溫度和質(zhì)量的關(guān)鍵作用。

　　由于單晶直徑在生長(zhǎng)過(guò)程中可受到溫度、提拉速度與轉(zhuǎn)速、坩堝跟蹤速度、保護(hù)氣體流速等因素影響，其中生產(chǎn)的溫度主要決定能否成晶，而速度將直接影響到晶體的內(nèi)在質(zhì)量，而這種影響卻只能在單晶拉出后通過(guò)檢測(cè)才能獲知，單晶爐主要控制的方面包括晶體直徑、硅功率控制、泄漏率和氬氣質(zhì)量等。

　　2、氣相外延爐

　　氣相外延爐主要是為硅的氣相外延生長(zhǎng)提供特定的工藝環(huán)境，實(shí)現(xiàn)在單晶上生長(zhǎng)與單晶晶相具有對(duì)應(yīng)關(guān)系的薄層晶體。外延生長(zhǎng)是指在單晶襯底(基片)上生長(zhǎng)一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶層，猶如原來(lái)的晶體向外延伸了一段，為了制造高頻大功率器件，需要減小集電極串聯(lián)電阻，又要求材料能耐高壓和大電流，因此需要在低阻值襯底上生長(zhǎng)一層薄的高阻外延層。

　　氣相外延爐能夠?yàn)閱尉С恋讓?shí)現(xiàn)功能化做基礎(chǔ)準(zhǔn)備，氣相外延即化學(xué)氣相沉積的一種特殊工藝，其生長(zhǎng)薄層的晶體結(jié)構(gòu)是單晶襯底的延續(xù)，而且與襯底的晶向保持對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

　　3、氧化爐

　　硅與含有氧化物質(zhì)的氣體，例如水汽和氧氣在高溫下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，而在硅片表面產(chǎn)生一層致密的二氧化硅薄膜，這是硅平面技術(shù)中一項(xiàng)重要的工藝。氧化爐的主要功能是為硅等半導(dǎo)體材料進(jìn)行氧化處理，提供要求的氧化氛圍，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體預(yù)期設(shè)計(jì)的氧化處理過(guò)程，是半導(dǎo)體加工過(guò)程的不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

　　4、磁控濺射臺(tái)

　　磁控濺射是物理氣相沉積的一種，一般的濺射法可被用于制備半導(dǎo)體等材料，且具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于控制、鍍膜面積大和附著力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在硅晶圓生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)二極濺射中一個(gè)平行于靶表面的封閉磁場(chǎng)，和靶表面上形成的正交電磁場(chǎng)，把二次電子束縛在靶表面特定區(qū)域，實(shí)現(xiàn)高離子密度和高能量的電離，把靶原子或分子高速率濺射沉積在基片上形成薄膜。

　　5、化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)

　　一種進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨的機(jī)器，在硅晶圓制造中，隨著制程技術(shù)的升級(jí)、導(dǎo)線與柵極尺寸的縮小，光刻技術(shù)對(duì)晶圓表面的平坦程度的要求越來(lái)越高，IBM公司于1985年發(fā)展CMOS產(chǎn)品引入，并在1990年成功應(yīng)用于64MB的DRAM生產(chǎn)中，1995年以后，CMP技術(shù)得到了快速發(fā)展，大量應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。

　　化學(xué)機(jī)械研磨亦稱為化學(xué)機(jī)械拋光，其原理是化學(xué)腐蝕作用和機(jī)械去除作用相結(jié)合的加工技術(shù)，是目前機(jī)械加工中唯一可以實(shí)現(xiàn)表面全局平坦化的技術(shù)。在實(shí)際制造中，它主要的作用是通過(guò)機(jī)械研磨和化學(xué)液體溶解“腐蝕”的綜合作用，對(duì)被研磨體(半導(dǎo)體)進(jìn)行研磨拋光。

　　6、光刻機(jī)

　　又名掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)、曝光系統(tǒng)、光刻系統(tǒng)等，常用的光刻機(jī)是掩膜對(duì)準(zhǔn)光刻，一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。在硅片表面勻膠，然后將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移光刻膠上的過(guò)程將器件或電路結(jié)構(gòu)臨時(shí)“復(fù)制”到硅片上的過(guò)程。

　　7、離子注入機(jī)

　　它是高壓小型加速器中的一種，應(yīng)用數(shù)量最多。它是由離子源得到所需要的離子，經(jīng)過(guò)加速得到幾百千電子伏能量的離子束流，用做半導(dǎo)體材料、大規(guī)模集成電路和器件的離子注入，還用于金屬材料表面改性和制膜等 。

　　在進(jìn)行硅生產(chǎn)工藝?yán)锩?，需要用到離子注入機(jī)對(duì)半導(dǎo)體表面附近區(qū)域進(jìn)行摻雜，離子注入機(jī)是集成電路制造前工序中的關(guān)鍵設(shè)備，離子注入是對(duì)半導(dǎo)體表面附近區(qū)域進(jìn)行摻雜的技術(shù)目的是改變半導(dǎo)體的載流子濃度和導(dǎo)電類型，離子注入與常規(guī)熱摻雜工藝相比可對(duì)注入劑量角度和深度等方面進(jìn)行精確的控制，克服了常規(guī)工藝的限制，降低了成本和功耗。

　　8、引線鍵合機(jī)

　　它的主要作用是把半導(dǎo)體芯片上的Pad與管腳上的Pad，用導(dǎo)電金屬線(金絲)鏈接起來(lái)。引線鍵合是一種使用細(xì)金屬線，利用熱、壓力、超聲波能量為使金屬引線與基板焊盤緊密焊合，實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的電氣互連和芯片間的信息互通。在理想控制條件下，引線和基板間會(huì)發(fā)生電子共享或原子的相互擴(kuò)散，從而使兩種金屬間實(shí)現(xiàn)原子量級(jí)上的鍵合。

　　9、晶圓劃片機(jī)

　　因?yàn)樵谥圃旃杈A的時(shí)候，往往是一整大片的晶圓，需要對(duì)它進(jìn)行劃片和處理，這時(shí)候晶圓劃片機(jī)的價(jià)值就體現(xiàn)出了。之所以晶圓需要變換尺寸，是為了制作更復(fù)雜的集成電路。

　　10、晶圓減薄機(jī)

　　在硅晶圓制造中，對(duì)晶片的尺寸精度、幾何精度、表面潔凈度以及表面微晶格結(jié)構(gòu)提出很高要求，因此在幾百道工藝流程中，不可采用較薄的晶片，只能采用一定厚度的晶片在工藝過(guò)程中傳遞、流片。晶圓減薄，是在制作集成電路中的晶圓體減小尺寸，為了制作更復(fù)雜的集成電路。在集成電路封裝前，需要對(duì)晶片背面多余的基體材料去除一定的厚度，這一工藝需要的裝備就是晶片減薄機(jī)。

　　當(dāng)然了，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，硅晶圓制造需要的設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，制造硅晶圓的難度不亞于航空母艦。之所以光刻機(jī)的關(guān)注度超越了其它半導(dǎo)體設(shè)備，這是由于它的技術(shù)難度是最高的，目前僅有荷蘭和美國(guó)等少數(shù)國(guó)家擁有核心技術(shù)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的企業(yè)不斷取得突破，在光刻機(jī)技術(shù)上也取得了不錯(cuò)的成績(jī)，前不久，國(guó)產(chǎn)首臺(tái)超分辨光刻機(jī)被研制出來(lái)，一時(shí)間振奮了國(guó)人，隨著中國(guó)自主研發(fā)的技術(shù)不斷取得進(jìn)步，未來(lái)中國(guó)自己生產(chǎn)的晶圓也將不斷問(wèn)世。