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01
原料提纯
石英砂→硅
2+2 C=Si+2 CO ↑石英砂,图库版权图片,不授权转载
看上去似乎并不难,只需几步化学反应就制作出了纯硅。但其实此时硅的纯度最高只能达到 98%,距离成为硅片原料还存在很大的差距,需要进一步提纯。
液化提纯
高纯度多晶硅,图库版权图片,不授权转载
制作硅原料的过程到这里就结束了吗?并非如此!虽然制备出了高纯度的多晶硅,但用于制造芯片的硅必须是单晶硅。虽然二者只相差一个字,但它们在内部原子排列上存在天壤之别:单晶硅的晶体框架结构是均匀的,硅原子排列有序;多晶硅的硅原子排列则是无序的。
单晶硅(左)和多晶硅(右)示意图,制图:王智豪
这就好比工人铺设柏油路时,在浇筑最上层的沥青之前,要先用土将地铺平、夯实基础。如果地基不够平,上层的柏油路就会出现坑洼或者裂缝。硅片也是如此,倘若硅片的结构无序,即存在晶格缺陷,那么在掺杂后,不同部分的电特性会出现很大差别,上层的逻辑电路也会出现很大的瑕疵。因此,制作芯片必须选择单晶硅。
02
从多晶硅到单晶硅
如何将多晶硅变成单晶硅呢?这就需要特殊的工艺。最常用的将多晶硅变成单晶硅的工艺就是直拉单晶制造法(后简称 CZ 直拉法)。直拉指的是将硅从“岩浆”中直接拉出硅棒,它是硅片制作最核心的工艺步骤,决定着硅片的质量和纯度。第一步:融化超高纯度多晶硅
多晶硅熔化,图片来源:Silicon Wafer Production 模拟动画
第二步:放入“晶种”
放入晶种,图片来源:Silicon Wafer Production 模拟动画
第三步:拉出并旋转
垂直拉伸,形成晶棒,图片来源:Silicon Wafer Production 模拟动画
这方法听上去似乎很简单,但实际情况却比想象中要困难得多。为了制备均匀性极高的硅棒,这一大锅像岩浆一样的硅“浆糊”需要一直控制在稳定的温度下。同时,硅棒提拉和旋转速度也要求极其稳定。此外,整个拉晶过程始终需要在高温负压的环境中进行。如今,晶圆直径越来越大,从之前的 4 英寸(1 英寸=2.54 厘米),到现在的 12 英寸,甚至是未来的 18 英寸,人们追求着更大的直径。这是由于硅片的直径越大,由同一片硅片制造出来的芯片就越多,也就相应降低了成本。然而,硅片直径的增加代表着制造难度的指数上升。首先,硅片对应的晶棒的直径要求更粗,因此用来加热的热场尺寸也必须相应增大,此时岩浆的对流也会更加复杂。同时,固液界面温度梯度以及氧浓度分布变得难以控制,这意味着对拉晶的控制要求也更加复杂。
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不过,聪明的人们通过在传统 CZ 装置系统上外加一个磁场,完美解决了这些问题。由于熔融硅能够导电,因此它会受到磁场和流动相互作用所产生的力,从而能够改变“岩浆”的对流。此外,在适合的磁场分布下,晶体的生长过程还能减少氧、硼、铝等杂质经坩埚进入硅熔体,从而制备出氧含量可控及均匀性更好的高电阻率硅棒。这种在传统 CZ 直拉法基础上,添加磁场装置的加工方法被称为磁控直拉单晶制造法(后简称:MCZ 法),这些定制优势也使其成为当下主流的工艺技术。MCZ 法随着所加磁场的不同又可以分为纵向磁场法、横向磁场法和尖点磁场法,顾名思义就是指所施加磁场的方向不同,它们可以实现不同的功能、具有不同特性。
纵向磁场法、横向磁场法、尖点磁场法示意图(图片来源:Global Wafers Japan)
直拉法的优点是制作的硅含氧量较高、机械强度更大,而且更容易做出大尺寸的硅棒。同时,直拉法成本更低,晶体的生长速度更快。因此现在约有 85% 的单晶硅片都采用直拉法制备。
但是,FZ 法也有其自身的优势。例如,通过 FZ 法制备出来的单晶硅电阻率非常高,特别适合于如探测器、整流器等高功率器件。此外,由于FZ悬浮区熔法避免了由坩埚所造成的污染,能够使单晶硅的纯度更高。但其缺陷在于做出来的硅棒尺寸较小,最大只有 8 英寸,很难做的更大。
FZ 法示意图,图片来源:Global Wafers Japan
完成了以上的制作工序后,我们终于获得了几乎纯净的硅棒。接下来进入下一步的加工环节。
03
硅棒切割、磨片
硅棒接下来会被掐头去尾,质量好的硅棒会被切削成“晶种”下次生长继续使用。由于直拉出来的硅棒并不是完美的圆柱体,因此剩余的硅棒会被切成合适的大小,放入机器中慢慢滚动打磨侧面,以形成所需要的半径和形状。硅棒的切削,图库版权图片,不授权转载
接下来,将磨好的硅棒切成片。以前切硅棒就像在家切羊肉片,一刀一片,虽然切面平整但是效率太低。如今人们更多地使用金刚线的多线切割机,每次切的片数和金刚线的数量挂钩。虽然切面没有之前的内圆切割机平整,但胜在高效。
多线切割,图片来源:Global Wafers Japan
切下来的硅片会经过一次机械打磨以使其表面更加平整,某些硅片还需要做一个粗糙的背部,这是为了人为制造缺陷,以便将后续工艺中所掺入的杂质困在背部,保护器件。此外,还需要将硅片边缘打磨成圆弧形,防止边缘崩裂以及方便后续光刻。经过打磨后,将其放入硝酸或者氢氟酸中进行化学刻蚀,以去除之前打磨过程中硅片积累的机械损伤以及混入硅片表层的磨料。打磨和刻蚀等一系列过程结束后,硅片的表面已经如镜面一般光滑,但是对于制造芯片来说,仍然不够。
研磨与蚀刻,图片来源:Global Wafers Japan
04
硅片抛光、清洗
尽管此时的硅片表面已如镜片般光滑,但还需要对其进行化学机械抛光,这一步骤结合了物理和化学的抛光手段。先将硅片装在旋转的抛光仪器上,它表面薄层会先被研磨液化学氧化,再被抛光垫物理打磨,直到硅片被抛光成近乎完美的镜面。
化学机械抛光与清洁,图片来源:Global Wafers Japan
经过这个步骤后,硅片平整度会达到非常高的程度,12 英寸的硅片要求平整度控制在 51 纳米以内。可能大部分人对这个平整度并不了解,但如果我们将其放大数百万倍,这就相当于在以北京到上海的距离为直径的圆内,其最大起伏不超过 25 厘米。此后,还需要用去离子水和各种化学溶剂对硅片进行清洗,以去除制程中黏附在硅片表面的各种尘埃和杂质。这些颗粒物会影响到芯片制造流程,易造成器件的短路或开路。
应用范围广:这款芯片广泛应用于自动化控制设备、电力监测控制、测量检测仪器仪表、电教设备、智能家电、医疗检测设备、车用仪表及工控自动化等领域。
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