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半導體基礎之晶圓

2023-12-08
來源:半導體芯片電子通信

晶圓(Wafer)

半導體晶體圓片的簡稱,為圓柱狀半導體晶體的薄切片,用于集成電路制程中作為載體的基片,由于其形狀為圓形,故稱為晶圓。最常見的是硅晶圓,另外還有氮化鎵晶圓、碳化硅晶圓等;一般晶圓產量多為單晶硅圓片。

晶圓是最常用的半導體材料,按其直徑分為2英寸、3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸等規格,晶圓越大,同一圓片上可生產的集成電路(Integrated Circuit, IC)就越多,可降低成本;但對材料技術和生產工藝的要求更高,例如均勻度等等的問題,使得近年來晶圓不再追求更大,有些時候廠商會基于成本及良率等因素而停留在成熟的舊工藝。一般認為硅晶圓的直徑越大,代表著晶圓廠有更好的技術,在生產晶圓的過程當中,良率是很重要的標準。

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加工處理過后的晶圓

【制造過程】

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柴可拉斯基法示意圖


很簡單的說,首先由普通硅砂拉制提煉,經過溶解、提純、蒸餾一系列措施制成單晶硅棒,單晶硅棒經過切片、拋光之后,就得到了單晶硅圓片,也即單晶硅晶圓。

1.將二氧化硅礦石(石英砂)與焦炭混合后,經由電弧爐加熱還原,即生成粗硅(純度98%,冶金級)。SiO2 + C = Si + CO2 ↑

2.鹽酸氯化并經蒸餾后,制成了高純度的多晶硅(半導體級純度11個9,太陽能級7個9),因在精密電子器件當中,硅晶圓需要有相當的純度(99.999999999%),不然會產生缺陷。

3.晶圓制造廠再以柴可拉斯基法將多晶硅熔解,再于溶液內摻入一小粒的硅晶體晶種,然后將其慢慢拉出,以形成圓柱狀的單晶硅晶棒,由于硅晶棒是由一顆小晶粒在融熔態的硅原料中逐漸生成,此過程稱為“長晶”。這根晶棒的直徑,就是晶圓的直徑。

4.硅晶棒再經過切片、研磨、拋光后,即成為集成電路工廠的基本原料——硅晶圓片,就是“晶圓”(wafer)。

5.晶圓經多次光掩模處理,其中每一次的步驟包括感光劑涂布、曝光、顯影、腐蝕、滲透、植入、刻蝕或蒸著等等,將其光掩模上的電路克隆到層層晶圓上,制成具有多層線路與器件的IC晶圓,再交由后段的測試、切割、封裝廠,以制成實體的集成電路成品。一般來說,大晶圓(12英寸)多是用來制作內存等技術層次較低的IC,而小晶圓(6英寸)則多用來制作模擬IC等技術層次較高之IC,8英寸的晶圓的話則都有。

從晶圓要加工成為產品需要專業精細的分工。

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6英寸,8英寸,12英寸晶圓

【著名晶圓廠商】

英特爾(Intel)等公司自行設計并制造自己的IC晶圓直至完成并行銷其產品。三星電子(Samsung)等則兼有晶圓代工及自制芯片業務。

晶圓基片制造廠商

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晶圓代工廠商

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封裝測試廠商

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【多晶硅生產廠商】

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【IC設計廠商】

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內存廠商

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【生產設備】

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