晶體生長和晶圓制備的步驟教程詳解

沙子轉變為半導體級硅的制備，再將其轉變成晶體和晶圓，以及生產拋光晶圓要求的工藝步驟。這其中包括了用于制造操作晶圓的不同類型的描述。生長450mm直徑的晶體和450mm晶圓的制備存在的挑戰性。

更高密度和更大尺寸芯片的發展需要更大直徑的晶圓供應。在20世紀60年代開始使用的1英寸直徑的晶圓。在21世紀前期業界轉向300mm(12英寸)直徑的晶圓而現在正轉向450mm(18英寸)領域。

更大直徑的晶圓是由不斷降低芯片成本的要求驅動的。這對晶體制備的挑戰是巨大的。在晶體生長中，晶體結構和電學性能的一致性及污染問題是一個挑戰。在晶圓制備、平坦性、直徑控制和晶體完整性方面都是問題。更大直徑意味著更大的質量，這就需要更堅固的工藝設備，并最終完全自動化。一個直徑300mm的晶圓生產坯質大約是20磅(7.5kg)并會有50萬美元以上的產值。

一個450mm的晶圓質量約800kg，長210cm。這些挑戰和幾乎每一個參數更高的工藝規格要求共存。與挑戰并進和提供更大直徑晶圓是芯片制造不斷進步的關鍵。然而，轉向更大直徑的晶圓是昂貴和費時的。因此，隨著產業進入更大直徑的晶圓，一些公司仍在使用較小直徑的晶圓。

半導體硅制備

半導體器件和電路在半導體材料晶圓的表層形成，半導體材料通常是硅。這些晶圓的雜質含量必須非常低，必須摻雜到指定的電阻率水平，必須是制定的晶體結構，必須是光學的平面，并達到許多機械及清潔度的規格要求。

制造集成電路級硅晶圓分4個階段進行：

1. 礦石到高純度氣體的轉變;

2. 氣體到多晶的轉變;

3. 多晶到單晶、摻雜晶棒的轉變;

4. 晶棒到晶圓的制備。

半導體制備的第一個階段是從泥土中選取和提純半導體材料的原料。提純從化學反應開始。對于硅，化學反應是從礦石到硅化物氣體，例如四氟化硅或三氯硅烷。雜質，例如其他金屬，留在礦石殘渣里。硅化物再和氫反應生成半導體級的硅。這樣的硅純度達99.9999999%，是地球上最純的物質之一。它有一種稱為多晶或多晶硅的晶體結構。

晶體材料

材料中原子的組織結構是導致材料不同的一種方式。有些材料，例如硅和鍺，原子在整個材料里重復排列成非常固定的結構，這種材料稱為晶體。

原子沒有固定的周期性排列的材料被稱為非晶體或無定形。塑料就是無定形材料的例子。

晶體生長

半導體晶圓是從大塊的半導體材料切割而來的。這種半導體材料，或稱為硅錠，是從大塊的具有多晶結構和未摻雜本征材料生長得來的。把多晶轉變成一個大單晶，給予正確的定向和適量的N型或P型摻雜，叫做晶體生長。

使用三種不同的方法來生長單晶：直拉法、液體掩蓋直拉法和區熔法。

晶體和晶圓質量

半導體器件需要高度完美的晶體。但是即使使用了最成熟的技術，完美的晶體還是得不到的。不完美，就稱為晶體缺陷，會產生不均勻的二氧化硅膜生長、差的外延膜沉積、晶圓里不均勻的摻雜層，以及其他問題而導致工藝問題。在完成的器件中，晶體缺陷會引起有害的電流漏出，可能阻止器件在正常電壓下工作。有四類重要的晶體缺陷：

1. 點缺陷;

2. 位錯;

3. 原生缺陷;

4. 雜質。

晶圓準備

晶體從單晶爐里出來以后，到最終的晶圓會經歷一系列的步驟。第一步是用鋸子截掉頭尾。

在晶體生長過程中，整個晶體長度中直徑是有偏差的。晶圓制造過程有各種各樣的晶圓固定器和自動設備，需要嚴格的直徑控制以減少晶圓翹曲和破碎。

直徑滾磨是在一個無中心的滾磨機上進行的機械操作。機器滾磨晶體到合適的直徑，無須用一個固定的中心點夾持晶體在車床型的滾磨機上操作。

在晶體提交到下一步晶體準備前，必須要確定晶體是否達到定向和電阻率的規格要求。

切片

用有金剛石涂層的內圓刀片把晶圓從晶體上切下來。這些刀片是中心有圓孔的薄圓鋼片。圓孔的內緣是切割邊緣，用金剛石涂層。內圓刀片有硬度，但不用非常厚。

這些因素可減少刀口尺寸，也就減少了一定數量的晶體被切割工藝所浪費。

對于較大直徑的晶圓(大于300mm)，使用線切割來保證小錐度的平整表面和最小量的刀口損失。

晶圓刻號

就像我們生產好的高鐵軌道一樣，每一段上都要刻好工號，以對應相應的生產人，這樣來保證產品的可追溯性。

同樣的，大面積的晶圓在晶圓制造工藝中有很高的價值，為了保持精確的可追溯性，區別它們和防止誤操作是必須的。因而使用條形碼和數字矩陣碼的激光刻號來區分它們。對300mm的晶圓，使用激光點是一致認同的方法。

磨片

半導體晶圓的表面要規則，且沒有切割損傷，并要完全平整。第一個要求來自于很小的尺度制造器件的表面和次表面層。它們的尺寸在0.5~2um之間。為了獲得半導體器件相對尺寸的概念，想象下圖的剖面和房子一樣高，大概8英尺(2.4m)，在該范圍內，晶圓的工作層都要在頂部有1~2英寸或更小的區域。

平整度是小尺寸圖案絕對必要的條件。先進的光刻工藝把所需的圖案投影到晶圓表面，如果表面不平，投影將會扭曲，就像電影圖像在不平的熒幕上無法聚焦一樣。

平整和拋光的工藝分兩步：磨片和化學機械拋光。磨片是一個傳統的磨料研磨工藝，精調到半導體使用的要求。磨片的主要目的是去除切片工藝殘留的表面損傷。

至此，就生產出了表面平整的晶圓。