2018年12月17日 | 制作一颗硅晶圆需要多少种半导体设备？

众所周知，半导体作为最重要的产业之一，每年为全球贡献近五千亿美金的产值，可以毫不夸张的说，半导体技术无处不在。俗话说：巧妇难为无米之炊，硅晶圆作为制造半导体器件和芯片的基本材料，在产业中扮演着举足轻重的地位，硅是当今最重要、应用最广泛的半导体材料。

硅是非常常见的物质，如沙子里面就有二氧化硅，但沙子到硅晶体这可是个非常复杂的过程，如沙子要经过提纯、高温整形再到旋转拉伸……单晶硅是晶圆最初始的状态，在实际应用中仍不行，还需要制造成晶圆，而且是要求很高的圆圆晶体。在实际的生产中，我们通常将二氧化硅还原成单晶硅，但是这个过程难度很高，因为实际用到的晶圆纯度很高，要达到99.999%以上，常用的晶圆生产过程包括硅的纯化、纯硅制成硅晶棒、制造成电路的石英半导体材料、照相制版、硅材料研磨和抛光、多晶硅融解然后拉出单晶硅晶棒再到最后切割成一片薄薄的晶圆。

常见的硅晶圆生产流程

硅在自然界中以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在于岩石、砂砾中，硅晶圆的制造有三大步骤：硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。

一、 硅提炼及提纯

硅的提纯是第一道工序，需将沙石原料放入一个温度超过两千摄氏度的并有碳源的电弧熔炉中，在高温下发生还原反应得到冶金级硅，然后将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢反应，生成液态的硅烷，然后通过蒸馏和化学还原工艺，得到了高纯度的多晶硅。

二、 单晶硅生长

（用直拉法制造晶圆的流程图，OFweek电子工程网制作）

晶圆企业常用的是直拉法，如上图所示，高纯度的多晶硅放在石英坩埚中，并用外面围绕着的石墨加热器不断加热，温度维持在大约一千多摄氏度，炉中的空气通常是惰性气体，使多晶硅熔化，同时又不会产生不需要的化学反应。

为了形成单晶硅，还需要控制晶体的方向，坩埚带着多晶硅熔化物在旋转，把一颗籽晶浸入其中，并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转，同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。

熔化的多晶硅会粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不断地生长上去。用直拉法生长后，单晶棒将按适当的尺寸进行切割，然后进行研磨，再用化学机械抛光工艺使其至少一面光滑如镜，这时候晶圆片就制造完成了。

晶圆制造厂把这些多晶硅融解，再在融液里种入籽晶，然后将其慢慢拉出，以形成圆柱状的单晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一颗晶面取向确定的籽晶在熔融态的硅原料中逐渐生成。

三、晶圆成型

完成了上述两道工艺， 硅晶棒再经过切段，滚磨，切片，倒角，抛光，激光刻，包装后，即成为集成电路工厂的基本原料——硅晶圆片，这就是“晶圆”。

在现实中，经常会听到人们讲几寸晶圆厂，它是说生产单片晶圆的尺寸。一般情况下，硅晶圆直径越大，代表晶圆厂技术实力越强，如中芯国际以12寸晶圆为主，台积电的8寸晶圆等。为了将电晶体与导线尺寸缩小，可以将几片晶圆制作在同一片晶圆上，制作出更多的硅晶粒，但是硅晶圆生产最关键的参数就是良品率，这是晶圆厂的核心技术参数，它与硅晶圆生产设备的质量密不可分。

制造一颗硅晶圆需要的半导体设备

制作一颗硅晶圆需要的半导体设备大致有十个，它们分别是单晶炉、气相外延炉、氧化炉、磁控溅射台、化学机械抛光机、光刻机、离子注入机、引线键合机、晶圆划片机、晶圆减薄机，其实光刻机只是九牛一毛。

1、单晶炉

单晶炉是一种在惰性气体（氮气、氦气为主）环境中，用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶硅的设备。在实际生产单晶硅过程中，它扮演着控制硅晶体的温度和质量的关键作用。

由于单晶直径在生长过程中可受到温度、提拉速度与转速、坩埚跟踪速度、保护气体流速等因素影响，其中生产的温度主要决定能否成晶，而速度将直接影响到晶体的内在质量，而这种影响却只能在单晶拉出后通过检测才能获知，单晶炉主要控制的方面包括晶体直径、硅功率控制、泄漏率和氩气质量等。

2、气相外延炉

气相外延炉主要是为硅的气相外延生长提供特定的工艺环境，实现在单晶上生长与单晶晶相具有对应关系的薄层晶体。外延生长是指在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段，为了制造高频大功率器件，需要减小集电极串联电阻，又要求材料能耐高压和大电流，因此需要在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。

气相外延炉能够为单晶沉底实现功能化做基础准备，气相外延即化学气相沉积的一种特殊工艺，其生长薄层的晶体结构是单晶衬底的延续，而且与衬底的晶向保持对应的关系。

3、氧化炉

硅与含有氧化物质的气体，例如水汽和氧气在高温下进行化学反应，而在硅片表面产生一层致密的二氧化硅薄膜，这是硅平面技术中一项重要的工艺。氧化炉的主要功能是为硅等半导体材料进行氧化处理，提供要求的氧化氛围，实现半导体预期设计的氧化处理过程，是半导体加工过程的不可缺少的一个环节。

4、磁控溅射台

磁控溅射是物理气相沉积的一种，一般的溅射法可被用于制备半导体等材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。在硅晶圆生产过程中，通过二极溅射中一个平行于靶表面的封闭磁场，和靶表面上形成的正交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域，实现高离子密度和高能量的电离，把靶原子或分子高速率溅射沉积在基片上形成薄膜。

5、化学机械抛光机

一种进行化学机械研磨的机器，在硅晶圆制造中，随着制程技术的升级、导线与栅极尺寸的缩小，光刻技术对晶圆表面的平坦程度的要求越来越高，IBM公司于1985年发展CMOS产品引入，并在1990年成功应用于64MB的DRAM生产中，1995年以后，CMP技术得到了快速发展，大量应用于半导体产业。

化学机械研磨亦称为化学机械抛光，其原理是化学腐蚀作用和机械去除作用相结合的加工技术，是目前机械加工中唯一可以实现表面全局平坦化的技术。在实际制造中，它主要的作用是通过机械研磨和化学液体溶解“腐蚀”的综合作用，对被研磨体（半导体）进行研磨抛光。

6、光刻机

又名掩模对准曝光机、曝光系统、光刻系统等，常用的光刻机是掩膜对准光刻，一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。在硅片表面匀胶，然后将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。

7、离子注入机

它是高压小型加速器中的一种，应用数量最多。它是由离子源得到所需要的离子，经过加速得到几百千电子伏能量的离子束流，用做半导体材料、大规模集成电路和器件的离子注入，还用于金属材料表面改性和制膜等  。

在进行硅生产工艺里面，需要用到离子注入机对半导体表面附近区域进行掺杂，离子注入机是集成电路制造前工序中的关键设备，离子注入是对半导体表面附近区域进行掺杂的技术目的是改变半导体的载流子浓度和导电类型，离子注入与常规热掺杂工艺相比可对注入剂量角度和深度等方面进行精确的控制，克服了常规工艺的限制，降低了成本和功耗。

8、引线键合机

它的主要作用是把半导体芯片上的Pad与管脚上的Pad，用导电金属线（金丝）链接起来。引线键合是一种使用细金属线，利用热、压力、超声波能量为使金属引线与基板焊盘紧密焊合，实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。在理想控制条件下，引线和基板间会发生电子共享或原子的相互扩散，从而使两种金属间实现原子量级上的键合。

9、晶圆划片机

因为在制造硅晶圆的时候，往往是一整大片的晶圆，需要对它进行划片和处理，这时候晶圆划片机的价值就体现出了。之所以晶圆需要变换尺寸，是为了制作更复杂的集成电路。

10、晶圆减薄机

在硅晶圆制造中，对晶片的尺寸精度、几何精度、表面洁净度以及表面微晶格结构提出很高要求，因此在几百道工艺流程中，不可采用较薄的晶片，只能采用一定厚度的晶片在工艺过程中传递、流片。晶圆减薄，是在制作集成电路中的晶圆体减小尺寸，为了制作更复杂的集成电路。在集成电路封装前，需要对晶片背面多余的基体材料去除一定的厚度，这一工艺需要的装备就是晶片减薄机。

当然了，在实际的生产过程中，硅晶圆制造需要的设备远远不止这些，制造硅晶圆的难度不亚于航空母舰。之所以光刻机的关注度超越了其它半导体设备，这是由于它的技术难度是最高的，目前仅有荷兰和美国等少数国家拥有核心技术。近年来，国内的企业不断取得突破，在光刻机技术上也取得了不错的成绩，前不久，国产首台超分辨光刻机被研制出来，一时间振奋了国人，随着中国自主研发的技术不断取得进步，未来中国自己生产的晶圆也将不断问世。