晶圆是如何制造出来的？
快速阅读: 芯片被誉为现代工业的明珠，其制造过程极为复杂。文章介绍了芯片制造的主要阶段，包括芯片设计、晶圆制备、芯片制造和封装测试，以及行业内的Fabless、Foundry和IDM三种模式。重点讲解了晶圆制备过程，从硅材料的提纯到单晶硅的拉制，再到晶圆的切割、研磨、抛光和清洗等步骤。
芯片,是人类科技的精华,也被称为现代工业皇冠上的明珠。
芯片的基本组成是晶体管。晶体管的基本工作原理其实并不复杂,但在指甲盖那么小的面积里,塞入数以百亿级的晶体管,就让这件事情不再简单,甚至算得上是人类有史以来最复杂的工程,没有之一。
接下来这段时间,小枣君会通过一系列文章,专门介绍芯片的制造流程。
今天这篇,先讲讲 晶圆制造 。
█ 主要阶段和分工 介绍晶圆之前,小枣君先介绍一下芯片制造的一些背景知识。
芯片的制造,需要经过数百道工序。我们可以先将其归纳为四个主要阶段 —— 芯片设计、晶圆制备、芯片制造(前道)、封装测试(后道)。
我们经常会听说 Fabless、Foundry、IDM 等名词。这些名词,和芯片行业的分工有密切关系。
通常来说,行业里有些企业,只专注于芯片的设计。芯片的制造、封装和测试,都不做。这些企业,就属于 Fabless 企业,例如高通、英伟达、联发科、(以前的)华为等。
也有些企业,专门负责生产芯片,没有自己品牌的芯片。这些企业,就属于 Foundry,晶圆代工厂。
最著名的 Foundry,当然是我国台湾省的台积电。中芯国际(SMIC)、联华电子(UMC)、华虹集团等,也属于 Foundry。
台积电 芯片制造的难度比芯片设计还高。我们国内很多企业都具备先进制程芯片的设计能力,但找不到 Foundry 把芯片造出来。所以,通常说的“卡脖子”,就是指的芯片制造这个环节。
Foundry 生产出来的芯片,一般叫裸片。裸片是没法直接用的,需要经过封装、测试等环节。专门做封装和测试的厂家,就是 OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test,外包半导体封装与测试)。
当然,有的晶圆厂自己也有自己的封测厂,但通常不如 OSAT 灵活好用。业界比较知名的 OSAT 玩家有:日月光(ASE)、长电科技、联合科技(UTAC)、Amkor 等。
最后就是 IDM。
IDM 是 Integrated Device Manufacturer(整合元件制造商)的简称。有些公司,既做芯片设计,又做晶圆生产,还做封测,端到端全部都做。这种企业,就叫做 IDM。
全球具备这种能力的企业,不是太多,包括英特尔、三星、德州仪器、意法半导体等。
IDM 看上去很厉害,什么都能干。但实际上,芯片这个产业过于庞大,精细化分工是大势所趋。Fabless+Foundry 模式,术业有专攻,在专业性、效率和收益方面,都更有优势。
AMD 曾经也是 IDM,但后来改弦更张,也走轻资产的 Fabless 模式了。它的晶圆厂被剥离出去后,摇身一变,成了全球前五的晶圆代工厂:格罗方德(GlobalFoundries)。
█ 晶圆制备 好了,接下来,我们来看具体的制造过程。
首先,还是从最基本的晶圆制备说起。
这个,就是晶圆 我们经常说,芯片是沙子造的。其实,主要是因为沙子里面,含有大量的硅(Si)元素。
硅是地壳内第二丰富的元素,仅次于氧 沙子里有硅,但是纯度很低,而且是二氧化硅(SiO2)。我们不能随便抓一把沙子就拿来提炼硅。通常,会选用含硅量比较高的石英砂矿石。
高纯石英砂矿石 第一步,脱氧、提纯。
将石英砂原料放入熔炉中,加热到 1400°C以上的高温(硅的熔点为 1410°C),与碳源发生化学反应,就可以生成高纯度(98% 以上)的冶金级工业硅(MG-Si)。
冶金级工业硅 随后,通过氯化反应和蒸馏工艺,进一步提纯,得到纯度更高的硅。
硅这个材料,不仅可以用于半导体芯片制造,也可以用于光伏行业(太阳能发电)。
在光伏行业,对硅的纯度要求是 99.9999% 到 99.999999%,也就是 4~6 个 9,叫(SG-Si)。
光伏板 在半导体芯片行业,对硅的纯度要求更加变态,是 99.9999999% 到 99.999999999%,也就是 9~11 个 9。这种用于半导体制造的硅,学名电子级硅(EG-Si),平均每一百万个硅原子中最多只允许有一个杂质原子。
第二步,拉单晶硅(铸锭) 这种经过提纯之后的硅,是多晶硅。接下来,还需要把它变成单晶硅。
之前介绍半导体发展简史的时候,小枣君给大家解释过单晶硅和多晶硅。
简单来说,单晶硅具有完美的晶体结构,有非常好的性能。多晶硅,晶粒大、不规则、缺陷多,各种性能都相对差。所以,芯片这种高端货,基本都使用单晶硅。光伏那边,可以用多晶硅。
将多晶硅变成单晶硅,目前主流的制法,是柴克拉夫斯基法(也就是直拉法)。
首先,加热熔化高纯度多晶硅,形成液态的硅。
规模庞大的单晶熔炉 然后,将一条细小的单晶硅作为引子(也叫做硅种、籽晶),伸入硅溶液。
接着,缓慢地向上旋转提拉。被拉出的硅溶液,因为温度梯度下降,会凝固成固态硅柱。
在硅种的带领下,离开液面的硅原子凝固后都是“排着队”的,也就变成了排列整齐的单晶硅柱。
(注意,拉的速度不太一样。最开始,是以 6mm / 分钟的速度,拉出 10cm 左右的固态硅柱。这主要是因为,晶体刚刚形成时,会因为热冲击,晶相不稳定,容易产生晶体缺陷。拉出 10cm 长度之后,就可以减速了,变成缓慢提拉。) 旋转拉起的速度以及温度的控制,对晶柱品质有很大的影响。硅柱尺寸愈大时,拉晶对速度与温度的要求就更高。
最后,会拉出一根直径通常为 30 厘米,长度约 1-1.5 米的圆柱形硅柱。这个硅柱,就是晶棒,也叫做硅锭(呵呵,和“龟腚”、“规定”同音)。
第三步,晶圆切割。
拉出来的硅锭,要截去头和尾,然后切成一片片特定厚度的薄片(硅片)。
目前主流的切片方式,是采用带有金刚线的多线切割机,也就是用线上固定有金刚石颗粒的钢丝线,对硅段进行多段切割。这种方法的效率高、损耗少。
金刚线锯 切片有时候也会采用内圆锯。内圆锯则是内圆镀有金刚石的薄片,通过旋转内圆薄片切割晶锭。内圆锯的切割精度和速度相对较高,适用于高质量晶圆的切割。
内圆锯 硅片非常脆弱,所以切割过程也需要十分小心,要严格控制温度和振动。切割时,需要使用水基或油基的切割液,用来冷却和润滑,以及带走切割产生的碎屑。
第四步,倒角、研磨、抛光。
切割得到的硅片,被称为“裸片”,即未经加工的“原料晶圆”。
裸片的表面会非常粗糙,而且会有残留切割液和碎屑。因此,需要倒角、研磨、抛光、清洗等工艺,完成切割后的处理,最终得到光滑如镜的“成品晶圆(Wafer)”。
倒角,就是通过倒角机,把硅片边缘的直角边磨成圆弧形。这是因为高纯度硅是一种脆性很高的材料,这样处理可以降低边缘处发生崩裂的风险。
研磨,就是粗研磨,使晶圆片表面平整、平行,减少机械缺陷。
研磨后,晶圆会被置于氮化酸与乙酸的混合溶液中进行蚀刻,以去除表面可能存在的微观裂纹或损伤。完成蚀刻后,晶圆会再经过一系列高纯度的 RO / DI 水浴处理,以确保其表面的洁净度。
晶圆在一系列化学和机械抛光过程中抛光,称为 CMP(Chemical Mechanical Polish,化学机械抛光) 。
其中,化学反应阶段,抛光液中富含的化学成分,与待处理的晶圆材料发生化学反应,生成易于清除的化合物,或使材料表面软化。
机械研磨阶段,借助抛光垫和抛光液中的磨粒,对晶圆材料进行机械性的磨削,从而去除在化学反应阶段生成的化合物,以及材料表面的其他杂质。
在 CMP 工艺中,首先需要将待抛光的晶圆固定在抛光机的晶圆夹具上。接着,抛光液被均匀地分配在晶圆和抛光垫之间。然后,抛光机通过施加适当的压力和旋转速度,对晶圆进行抛光。
CMP 是芯片制造过程中的一个常见工序(后面还会再用到)。它的核心目标是实现全局平坦化(Global Planarization),即在纳米级精度下消除晶圆表面的高低差异(如金属层、介质层的不均匀性),为后续光刻等工艺做好准备。
第五步,清洗。
抛光完成之后,晶圆需要经过彻底清洗,去除残留的抛光液和磨粒。
清洗通常包括酸、碱、超纯水冲洗等多个步骤,每一步同样也要求在洁净室环境下进行,以避免任何新的杂质附着在晶圆表面上。
第六步,检测和分类。
抛光之后得到的晶圆,也叫抛光片。
最后,使用光学显微镜或其他检测设备对抛光效果进行严格检查,确保晶圆的表面平坦度、材料去除量、厚度、表面缺陷等指标全都符合预期要求。
检测合格的晶圆,将进入下一工序。检测不合格的,进行返工或者废弃处理。
需要注意!在实际生产中,晶圆边缘会切割出平角(Flat)或缺口(Notch),以便于后续工序中的定位和晶向确定。另外,在晶圆的反面边缘,也会打上序号标签,方便物料跟踪。
█ 关于晶圆的常见问题 好啦,晶圆已经制备完成了。接下来,我们回答几个关于晶圆的常见问题。
问题 1:晶圆的尺寸有多大? 经过处理得到的成品晶圆,有多种尺寸规格,例如:2 英寸(50mm)、3 英寸(75mm)、4 英寸(100mm)、5 英寸(125mm)、6 英寸(150mm)、8 英寸(200mm)、12 英寸(300mm)等。
小尺寸晶圆 其中,8 英寸和 12 英寸,最为常见。
晶圆的厚度,必须严格遵循 SEMI 规格等标准。例如,12 英寸晶圆的厚度,通常控制在 775μm±20μm(微米)范围内,也就是 0.775 毫米左右。
晶圆尺寸越大,每片晶圆可制造芯片数量就越多,单位芯片成本就越低。
以 8 英寸与 12 英寸硅片为例。在同样工艺条件下,12 英寸晶圆可使用面积超过 8 英寸晶圆两倍以上,可使用率(衡量单位晶圆可生产芯片数量的指标)是 8 英寸硅片的 2.5 倍左右。
但是,尺寸越大,就越难造,对生产技术、设备、材料、工艺要求就越多。
12 英寸,可以在收益和难度之间维持一个比较好的平衡。
问题 2:晶圆为什么是圆的? 首先,前面说了,拉单晶拉出来的,就是圆柱体,所以,切割后,就是圆盘。
其次,圆柱形的单晶硅锭,更便于运输,可以尽量避免因磕碰导致的材料损耗。
第三,圆形晶圆在制造过程中,更容易实现均匀加热和冷却,减少热应力,提高晶体质量。
第四,晶圆做成圆的,对于芯片的后续工艺,也有一定帮助。
第五,是面积利用率上有优势。后面我们会介绍,晶圆上面会制作很多芯片。芯片确实是方的。从道理上来说,好像晶圆是方的,更适合方形的芯片(边缘不会有浪费)。
但事实上,即便是做成了“晶方”,一些边缘仍然是不可利用的。计算数据表明,圆形边缘比方形浪费更少。
问题 3:晶圆一定是硅材料吗? 不一定。
不只有硅能做成晶圆。目前,半导体材料已经发展到第四代。
第一代半导体材料以 Si(硅)、Ge(锗)为代表。第二代半导体材料以 GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)为代表。第三代半导体材料以 GaN(氮化镓)、SiC(碳化硅)为代表。第四代半导体材料以氮化铝(AlN)、氧化镓(Ga2O3)、金刚石(C)为代表。
不过,目前仍有 90% 以上芯片需使用半导体硅片作为衬底片。因为它拥有优异的半导体性能、丰富的储量及成熟的制造工艺。
关于晶圆制备,今天就介绍到这里。
下一期,小枣君继续给大家讲芯片的制造流程,看看到底是如何在晶圆上做出芯片的。敬请关注! 本文来自微信公众号: 鲜枣课堂(ID:xzclasscom) ,作者:小枣君 广告声明:文内含有的对外跳转链接(包括不限于超链接、二维码、口令等形式),用于传递更多信息,节省甄选时间,结果仅供参考,IT之家所有文章均包含本声明。
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