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半导体晶圆是如何制造出来的?
发布时间:2020-11-09 浏览量:1768

晶圆是厚度约为1毫米左右的薄硅片,由于制造过程工艺要求非常高,因此晶圆表面有非常高的平整度。晶圆的具体应用决定了需要采用何种长晶方式。以直拉法为例,多晶硅熔融后,铅笔一般大小的籽晶浸入熔融的硅中,然后缓慢旋转籽晶并慢慢向上拉晶。于是就拉出一个非常重的单晶硅锭。此外,可以通过向熔融硅中添加微量的高纯度掺杂剂,使晶圆达到有针对性的电学性能。硅锭根据客户的规格要求进行掺杂,然后切片、抛光。经多个工序后,客户将收到特别包装的符合他们特定规格的晶圆,客户可在其生产线上即刻使用这些晶圆。

直拉法长晶 CZOCHRALSKI PROCESS

当前大部分的单晶硅是采用直拉法拉晶的,该方法是在超纯石英坩埚中熔融高纯度的多晶硅,并在其中添加掺杂剂(通常是硼、磷、砷、锑)。将单晶的籽晶浸入熔融硅中,然后缓慢旋转并上啦,就能逐渐的拉出一个带有头锥和尾锥的柱状硅锭出来。这样的头锥和尾锥可防止热冲击引起的位错。

熔融硅的温度、流速、晶体和坩埚旋转速度的快慢,以及拉晶速度的准确控制对获得高质量的单晶硅锭起关键的作用。

悬浮区熔法(区熔法)长晶 FLOAT ZONE METHOD

区熔法对于如IGBT这类功率器件的需求是理想的长晶方法。

如图所示,柱形的多晶硅锭放置在感应线圈上方,在无线磁场作用下,感应线圈加热并从线圈上方的多晶硅棒的下部熔融硅锭。电磁场强度大小可调节熔融硅通过感应线圈中部的小孔流下形成单晶硅(区熔法)。对于区熔法而言,掺杂一般是硼或磷,而且是通过掺杂其气态物质来实现的。

柱面研磨 CYLINDRICAL GRINDING

硅锭经切割头锥、尾锥、以及切段后的质量检查后,直拉或者区熔的硅片就该进行晶圆加工工艺阶段。

这些工艺包括首先准确对位晶段,然后对切段的晶体柱面进行研磨以达到所需的直径尺寸。最后一步是添加晶向标记,对于大尺寸的晶圆,一般是柱面磨削出一道凹槽作为定位槽(Notch),对于小尺寸的一般磨削出平边作为定位边(Flat)。

线切割 WIRE SLICING

硅段薄片化的第一步是采用线切割技术,这是目前主流的切片方式。

一根细长(可长达数英里)的金属线通过导轮(Wire Guide Rollers)引导以非常精密的间距均匀的分布构成一个线网(Wire Web)。当金属线网在硅段上缓慢拉动时,切割液喷嘴(Slurry Nozzle)会对准线网喷洒切割液。通过这样的方式,一个工序即可将一段硅段切分为上百片的硅薄片。在此过程中,需要严密监测各环节的工艺参数,以确保薄片有较为均一的厚度,硅薄片两面保持相对平行。

晶圆倒角 EDGE ROUNDING

单晶硅非常易碎,有很高的破片风险。因此,在倒角的时候需要特别小心以避免晶圆边缘的机械损伤。

未倒角的硅片放置于研磨卡盘上,带有圆角凹槽的倒角磨轮研磨晶圆边缘,于是晶圆边缘就啮合凹槽,经过不同磨粒的研磨轮多次倒角,从而磨出符合客户要求的边缘圆角。倒角分为T型倒角(大倒角)和R型倒角(小倒角)。

晶圆激光打标 LASER MARKING

晶圆上的激光标识用于生产中追溯单片或成批的晶圆。激光标识可按照行业标准或者客户要求进行打标。通常标识中包含有晶圆制造商代码、部分技术参数、单片晶圆序号等信息。上图的激光标识分别含有晶圆序号、制造商代码、电阻率、掺杂剂、晶向、校验代码等信息。

晶圆研磨 LAPPING

硅薄片在线切割和倒角加工后,需要对薄片表面进行研磨,这样可以提高硅片表面的平行度,亦能消除线切割工序导致的表面损伤。

研磨时,硅片固定在如上图所示的上、下研磨盘(Lapping Plate)之间的载盘(Lapping Carrier)上,上下研磨盘相对方向旋转的时候,就能起到对硅片两面同时研磨的效果。在研磨过程中,会不断添加研磨液(Lapping Slurry),整个研磨过程中单面大概会磨削掉10微米的硅。

清洗和蚀刻 CLEANING AND ETCHING

硅片在机械处理后,需要进行清洗和蚀刻以消除表面残留的机械损伤。碱性或者酸性溶液,或二者的混合溶液均可用于蚀刻处理。上图所示分别为清洗槽(Cleaning Bath)、蚀刻槽(Etch Bath)、干燥池(Dryer)。

抛光 POLISHING

抛光工艺是为了将硅片的表面打磨到光亮的镜面状态,并进一步提升硅片的平整度(Flatness)。抛光时,硅片放置在支撑盘上,通过挤压贴合于抛光盘(Polishing Plate)上的抛光布(Polishing Cloth)。

直径200mm(8英寸)及以下尺寸的晶圆通常采用单面抛光,直径300mm及以上尺寸的晶圆多半是双面抛光,但这并非绝对的工艺方式,多半还是取决于客户的需求。

如前述研磨工序类似,晶圆片固定在上下盘之间,上、下抛光盘同时对晶圆片的正面和背面进行抛光。抛光液和抛光压力大小决定了最终抛光的质量和平整度。

清洗 CLEANING

抛光后,硅片需经超纯水和化学品分别进行物理和化学清洗。

晶圆检查 INSPECTION

晶圆的平整度和颗粒度是当今集成电路器件的关键影响因素。因此,每一片晶圆的平整度(Flatness)和颗粒度(Particle)均需经过特定设计的仪器检查,以确保晶圆质量。

包装 PACKAGING

经过检查的晶圆片就会装入超洁净的适合发货的晶舟盒(Cassette)中,并用特制的防潮袋真空密封。一般地,一个晶舟盒中装有25片晶圆片;这也是晶圆制造商最小订货单元MOQ为25片的原因。

入库&发货 HOUSING & SHIPPING

晶圆用防震和防冲击的包装箱包装,以避免冲击导致晶圆破损。



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