半導體行業(yè)之晶體生長和硅片準備（一）

在接下來的一個章節(jié)里面，我們將主要介紹用砂子制備半導體級硅的方法，以及后續(xù)如何將其轉化為晶體和晶圓片(材料制備階段)，以及如何來生產(chǎn)拋光晶圓的過程(晶體生長和晶圓制備)。包括對制造過程中使用的不同類型晶圓的性質，以及相關加工操作的一些詳細描述。還有關于如何直徑450毫米的晶體面臨的一些挑戰(zhàn)，在相關部分，詳細介紹了450毫米硅片的制備方法。

更高密度和更大尺寸的芯片的發(fā)展要求交付更大直徑的晶圓片。從20世紀60年代的直徑為1英寸的晶圓開始，該行業(yè)經(jīng)過了非常快速的發(fā)展，在2000年代已經(jīng)轉向300毫米(12英寸)直徑的晶圓，現(xiàn)在的節(jié)點已經(jīng)達到了450mm大小的尺寸(18-in)(如下圖所示)。

為了適應不斷增大的芯片尺寸，需要更大直徑的晶圓來滿足快速提升的需求，進而會促進成本的不斷下降，推動了晶圓制造工藝不斷前進(見后續(xù)章節(jié)繼續(xù)討論)。晶圓的準備方面，面臨的挑戰(zhàn)是艱巨的。在晶體生長中，結構和電氣的一致性和污染防治是一大挑戰(zhàn)。在晶圓制備中，平整度、直徑控制、雜質含量和晶體完整性都是非常嚴峻的問題。更大的晶圓直徑，需要更堅固的加工工具，最終，將實現(xiàn)完全自動化。

批量生產(chǎn)的300毫米直徑的晶圓重約20磅(7.5公斤)，價值50萬美元或更多。1個450mm主板的重量約為800公斤重，長210厘米。這些挑戰(zhàn)與幾乎每個參數(shù)的規(guī)格都有直接關聯(lián)。要跟上這些挑戰(zhàn)的步伐，晶圓直徑的增長是微芯片持續(xù)進化的關鍵。然而，轉換成更大直徑的晶圓既昂貴又耗時。因此有些晶圓廠是否仍在使用較小的晶圓直徑，(如下圖所示)即便主流的工業(yè)界已經(jīng)發(fā)展到更大直徑的晶圓。

半導體硅的制備

半導體器件和電路是在硅片內(nèi)部和表面形成的半導體材料。那些晶圓片必須被摻雜到特定電阻率水平，并且污染物水平也需要控制，生成特定的晶體結構，達到光學平整，并滿足其它主機的機械潔凈度規(guī)范。硅片制備階段集成電路級硅片的制造分為四個階段：1、將礦石轉化為高純度氣體；2、將氣體轉化為多晶硅；3、將多晶硅轉化為單晶，摻雜晶錠的制備；4、半導體制造的第一個階段是晶圓，它們可以從地球中最多的一些沙子中提取和純化。凈化從化學反應開始。對于硅來說，它是將礦石轉化成含硅氣體，如四氯化硅或三氯硅烷。含硅氣體隨后與氫反應(如下圖所示)生成半導體級硅。生產(chǎn)出來的硅純度為99.9999999%，這個純度可是說是地球上最純凈的物質了。其晶體結構稱為多晶或多晶硅。

透明物質

晶體材料物質的不同之處在于它們的原子結構。在一些材料，如硅和鍺，原子在整個材料中排列成一個非常重復的確定結構。這些材料叫做晶體。

原子沒有確定的周期性排列的物質被稱為非晶的物質，塑料是就是典型的非晶材料的例子。

審核編輯：劉清