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半导体产业的根基:晶圆是什么

在半导体的新闻中,总是会提到以尺寸标示的晶圆厂,如8寸或是12寸晶圆厂,然而,所谓的晶圆到底是什么东西?其中8寸指的是什么部分?要产出大尺寸的晶圆制造又有什么难度呢?以下将逐步介绍半导体最重要的基础——“晶圆”到底是什么。

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何谓晶圆?

晶圆(wafer),是制造各式电脑晶片的基础。我们可以将晶片制造比拟成用乐高积木盖房子,藉由一层又一层的堆叠,完成自己期望的造型(也就是各式晶片)。然而,如果没有良好的地基,盖出来的房子就会歪来歪去,不合自己所意,为了做出完美的房子,便需要一个平稳的基板。对晶片制造来说,这个基板就是接下来将描述的晶圆。

首先,先回想一下小时候在玩乐高积木时,积木的表面都会有一个一个小小圆型的凸出物,藉由这个构造,我们可将两块积木稳固的叠在一起,且不需使用胶水。晶片制造,也是以类似这样的方式,将后续添加的原子和基板固定在一起。因此,我们需要寻找表面整齐的基板,以满足后续制造所需的条件。

在固体材料中,有一种特殊的晶体结构──单晶(Monocrystalline)。它具有原子一个接着一个紧密排列在一起的特性,可以形成一个平整的原子表层。因此,采用单晶做成晶圆,便可以满足以上的需求。然而,该如何产生这样的材料呢,主要有二个步骤,分别为纯化以及拉晶,之后便能完成这样的材料。

如何制造单晶的晶圆

纯化分成两个阶段,第一步是冶金级纯化,此一过程主要是加入碳,以氧化还原的方式,将氧化矽转换成98%以上纯度的矽。大部份的金属提炼,像是铁或铜等金属,皆是采用这样的方式获得足够纯度的金属。但是,98%对于晶片制造来说依旧不够,仍需要进一步提升。因此,将再进一步采用西门子制程(Siemensprocess)作纯化,如此,将获得半导体制程所需的高纯度多晶矽。

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▲矽柱制造流程(Source:Wikipedia)

接着,就是拉晶的步骤。首先,将前面所获得的高纯度多晶矽融化,形成液态的矽。之后,以单晶的矽种(seed)和液体表面接触,一边旋转一边缓慢的向上拉起。至于为何需要单晶的矽种,是因为矽原子排列就和人排队一样,会需要排头让后来的人该如何正确的排列,矽种便是重要的排头,让后来的原子知道该如何排队。最后,待离开液面的矽原子凝固后,排列整齐的单晶矽柱便完成了。

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▲单晶矽柱(Souse:Wikipedia)

然而,8寸、12寸又代表什么东西呢?其实指的是晶柱,也就是上方图片中长得像铅笔笔杆部分的直径。至于制造大尺寸晶圆又有什么难度呢?如前面所说,晶柱的制作过程就像是在做棉花糖一样,一边旋转一边成型。有制作过棉花糖的话,应该都知道要做出大而且扎实的棉花糖是相当困难的,而拉晶的过程也是一样,旋转拉起的速度以及温度的控制都会影响到晶柱的品质。也因此,尺寸愈大时,拉晶对速度与温度的要求就更高,因此要做出高品质12寸晶圆的难度就比8寸晶圆还来得高。

只是,一整条的矽柱并无法做成晶片制造的基板,为了产生一片一片的矽晶圆,接着需要以钻石刀将矽晶柱横向切成圆片,圆片再经由抛光便可形成晶片制造所需的矽晶圆。经过这么多步骤,晶片基板的制造便大功告成,下一步便是堆叠房子的步骤,也就是晶片制造。至于该如何制作晶片呢?就待下一篇再解释。

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责任编辑:张磊