硅晶圆是什么？原来集成电路芯片这样炼成（图文），硅晶圆

2024-03-14 11:11:56 0 0

描述

　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。

　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。

　(Souse：Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0)

　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(Siemens process)作纯化，如此，将获得半导体制程所需的高纯度多晶矽。

　▲ 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。

　▲ 单晶矽柱(Souse：Wikipedia)

　然而，8寸、12寸又代表什么东西呢?他指的是我们产生的晶柱，长得像铅笔笔杆的部分，表面经过处理并切成薄圆片后的直径。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。

　4.科普：芯片制造，层层打造的高科技工艺;

　在介绍过矽晶圆是什么东西后，同时，也知道制造 IC 晶片就像是用乐高积木盖房子一样，藉由一层又一层的堆叠，创造自己所期望的造型。然而，盖房子有相当多的步骤，IC 制造也是一样，制造 IC 究竟有哪些步骤?本文将将就 IC 晶片制造的流程做介绍。

　层层堆叠的晶片架构

　在开始前，我们要先认识 IC 晶片是什么。IC，全名积体电路(Integrated Circuit)，由它的命名可知它是将设计好的电路，以堆叠的方式组合起来。藉由这个方法，我们可以减少连接电路时所需耗费的面积。下图为 IC 电路的 3D 图，从图中可以看出它的结构就像房子的梁和柱，一层一层堆叠，这也就是为何会将 IC 制造比拟成盖房子。

　▲ IC 晶片的 3D 剖面图。(Source：Wikipedia)

　从上图中 IC 晶片的 3D 剖面图来看，底部深蓝色的部分就是上一篇介绍的晶圆，从这张图可以更明确的知道，晶圆基板在晶片中扮演的角色是何等重要。至于红色以及土黄色的部分，则是于 IC 制作时要完成的地方。

　首先，在这里可以将红色的部分比拟成高楼中的一楼大厅。一楼大厅，是一栋房子的门户，出入都由这里，在掌握交通下通常会有较多的机能性。因此，和其他楼层相比，在兴建时会比较复杂，需要较多的步骤。在 IC 电路中，这个大厅就是逻辑闸层，它是整颗 IC 中最重要的部分，藉由将多种逻辑闸组合在一起，完成功能齐全的 IC 晶片。

　黄色的部分，则像是一般的楼层。和一楼相比，不会有太复杂的构造，而且每层楼在兴建时也不会有太多变化。这一层的目的，是将红色部分的逻辑闸相连在一起。之所以需要这么多层，是因为有太多线路要连结在一起，在单层无法容纳所有的线路下，就要多叠几层来达成这个目标了。在这之中，不同层的线路会上下相连以满足接线的需求。

　分层施工，逐层架构

　知道 IC 的构造后，接下来要介绍该如何制作。试想一下，如果要以油漆喷罐做精细作图时，我们需先割出图形的遮盖板，盖在纸上。接着再将油漆均匀地喷在纸上，待油漆干后，再将遮板拿开。不断的重复这个步骤后，便可完成整齐且复杂的图形。制造 IC 就是以类似的方式，藉由遮盖的方式一层一层的堆叠起来。