晶圆的制造过程


晶圆是制造半导体芯片的基本材料,半导体集成电路最主要的原料是硅,因此对应的就是硅晶圆。

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,硅晶圆的制造可以归纳为三个基本步骤:硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。

首先是硅提纯,将沙石原料放入一个温度约为2000 ℃,并且有碳源存在的电弧熔炉中,在高温下,碳和沙石中的二氧化硅进行化学反应(碳与氧结合,剩下硅),得到纯度约为98%的纯硅,又称作冶金级硅,这对微电子器件来说不够纯,因为半导体材料的电学特性对杂质的浓度非常敏感,因此对冶金级硅进行进一步提纯:将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢进行氯化反应,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,其纯度高达99999999999%,成为电子级硅。

接下来是单晶硅生长,最常用的方法叫直拉法。如下图所示,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1400 ℃,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。因此所生长的晶体的方向性是由籽晶所决定的,在其被拉出和冷却后就生长成了与籽晶内部晶格方向相同的单晶硅棒。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,将凹凸的切痕磨掉,再用化学机械抛光工艺使其至少一面光滑如镜,晶圆片制造就完成了。

单晶硅棒的直径是由籽晶拉出的速度和旋转速度决定的,一般来说,上拉速率越慢,生长的单晶硅棒直径越大。而切出的晶圆片的厚度与直径有关,虽然半导体器件的制备只在晶圆的顶部几微米的范围内完成,但是晶圆的厚度一般要达到1 mm,才能保证足够的机械应力支撑,因此晶圆的厚度会随直径的增长而增长。

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,此过程称为“长晶”。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”。

在特朗普下台前夕,中国芯片传出了一大好消息,将让中国从此不再受任何人卡脖子,原来中国企业的6英寸晶圆片开始试产,这也意味着国产芯片将进一步实现自主化,而之前美国还妄图用芯片技术来卡中国的脖子,一旦中国全面实现芯片自主生产,那么美国断供芯片就是一个笑话,最终只能让美国自取其辱。

不可否认的是,目前世界上只有美国掌握最为完善的芯片制造技术,许多尖端芯片,其他国家不得不从美国手中购买,而美国之所以对华为进行芯片断供,很大原因就是因为华为的迅速发展壮大,已经在通讯行业威胁到了美国的领军地位,这对美国而言也是绝对不允许的,在这样的局面下,美国妄图用芯片来遏制华为的发展。

但美国芯片禁令下达之后,最先遭殃的并不是华为,而恰恰是美国自己,因为这个国家的芯片企业市值,一夜之间就白白蒸发了数千亿美元,这绝对不是一笔小数目,对于已经经济倒退的美国而言,无疑是雪上加霜,美国芯片企业也开始联合起来反对特朗普禁令,特朗普也被迫放开了口子,允许美国芯片企业提供除5G芯片以外的产品。

美国的芯片禁令也让国人进一步认识到,在芯片领域,必须掌握主动权,绝不能被其他国家牵着鼻子走,其实近年来中国就开始愈发重视芯片技术,目前在芯片制造领域,不少技术已经实现了国产,芯片制造离不开硅晶片,同时也需要光刻机技术,目前荷兰已经允许对华出口28纳米级的光刻机,但对于7纳米以及5纳米的光刻机技术,依然要中国自己想办法,这种尖端技术是买不来的。

在芯片领域,中国完全也可以尝试弯道超车,比如目前中科院正在研究的石墨烯芯片,它打破了传统芯片的制约,采用碳元素作为芯片的主要组成部分,与硅基芯片相比,碳基芯片的效率能够提升1000倍,一旦这种芯片研制成功,那么美国的芯片垄断将被彻底打破,甚至美国到时候也可能要来中国请求分享芯片技术。

中国在 历史 上遇到的垄断并不少,而不仅仅是芯片行业,在诸多高 科技 产品上,西方国家都希望对中国进行垄断,但经过科研人员的刻苦攻关,也让这些领域的垄断被彻底打破,相信这次在芯片领域也一样,美国对中国的芯片禁运,恰恰是中国芯片技术崛起的机遇,国人也将再一次用实际行动来表示,西方的垄断是不可能得逞的。

应该说完全没有,目前据报道intel和AMD两家公司都是采取沉侵式光刻技术,操作过程完全由机械完成,人根本不会出现在生产过程中,只是由一名工程师在控制室控制即可,晶圆的刻制和切割要求极高所以由人完成也完全不可能的,所以生产操作对人体无害,只是貌似由一步需要对晶圆进行化学药剂清洗,就不太清楚了,应该也是由电脑完成的,人手工清洗并不太可能

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