硅晶片

　　
　　元素硅是一種灰色、易碎、四價(jià)的非金屬化學(xué)元素。地殼成分中27.8%是硅元素構(gòu)成的，其次是氧元素，硅是自然界中最豐富的元素。在石英、瑪瑙、燧石和普通的灘石中就可以發(fā)現(xiàn)硅元素。硅晶片又稱晶圓片，是由硅錠加工而成的，通過專門的工藝可以在硅晶片上刻蝕出數(shù)以百萬計(jì)的晶體管，被廣泛應(yīng)用于集成電路的制造。
　　晶圓片
　　硅屬于半導(dǎo)體材料，其自身的導(dǎo)電性并不是很好。然而，可以通過添加適當(dāng)?shù)膿诫s劑來精確控制它的電阻率。制造半導(dǎo)體前，必須將硅轉(zhuǎn)換為晶圓片(wafer)。這要從硅錠的生長開始。單晶硅是原子以三維空間模式周期形成的固體，這種模式貫穿整個(gè)材料。多晶硅是很多具有不同晶向的小單晶體單獨(dú)形成的，不能用來做半導(dǎo)體電路。多晶硅必須融化成單晶體，才能加工成半導(dǎo)體應(yīng)用中使用的晶圓片。加工硅晶片生成一個(gè)硅錠要花一周到一個(gè)月的時(shí)間，這取決于很多因素，包括大小、質(zhì)量和終端用戶要求。超過75%的單晶硅晶圓片都是通過Czochralski(CZ，也叫提拉法)方法生長的。
　　Czochralski(CZ)方法
　　摻雜
　　硅錠生長需要大塊的純凈多晶硅，將這些塊狀物連同少量的特殊III、V族元素放置在石英坩堝中，這稱為摻雜。加入的摻雜劑使那些長大的硅錠表現(xiàn)出所需要的電特性。最普通的摻雜劑是硼、磷、砷和銻。因使用的摻雜劑不同，會(huì)成為一個(gè)P型或N型的硅錠（P型/硼，N型/磷、銻、砷）。
　　熔融
　　然后將這些物質(zhì)加熱到硅的熔點(diǎn)——攝氏1420度之上。一旦多晶硅和摻雜劑混合物熔解，便將單晶硅種子放在熔解物的上面，只接觸表面。種子與要求的成品硅錠有相同的晶向。為了使摻雜均勻，子晶和用來熔化硅的坩堝要以相反的方向旋轉(zhuǎn)。一旦達(dá)到晶體生長的條件，子晶就從熔化物中慢慢被提起。生長過程開始于快速提拉子晶，以便使生長過程初期中子晶內(nèi)的晶缺陷降到最少。然后降低拖拉速度，使晶體的直徑增大。當(dāng)達(dá)到所要求的直徑時(shí)，生長條件就穩(wěn)定下來以保持該直徑。因?yàn)榉N子是慢慢浮出熔化物的，種子和熔化物間的表面張力在子晶表面上形成一層薄的硅膜，然后冷卻。冷卻時(shí)，已熔化硅中的原子會(huì)按照子晶的晶體結(jié)構(gòu)自我定向。硅錠完全長大時(shí)，它的初始直徑要比最終晶圓片要求的直徑大一點(diǎn)。
　　切割
　　接下來硅錠被刻出一個(gè)小豁口或一個(gè)小平面，以顯示晶向。一旦通過檢查，就將硅錠切割成晶圓片。由于硅很硬，要用金剛石鋸來準(zhǔn)確切割晶圓片，以得到比要求尺寸要厚一些的晶片。金剛石鋸也有助于減少對晶圓片的損傷、厚度不均、彎曲以及翹曲缺陷。
　　研磨
　　切割晶圓片后，開始進(jìn)入研磨工藝。研磨晶圓片以減少正面和背面的鋸痕和表面損傷。同時(shí)打薄晶圓片并幫助釋放切割過程中積累的應(yīng)力。
　　刻蝕和清洗
　　研磨后，進(jìn)入刻蝕和清洗工藝，使用氫氧化鈉、乙酸和硝酸的混合物以減輕磨片過程中產(chǎn)生的損傷和裂紋。關(guān)鍵的倒角工藝是要將晶圓片的邊緣磨圓，徹底消除將來電路制作過程中破損的可能性。倒角后，要按照最終用戶的要求，經(jīng)常需要對邊緣進(jìn)行拋光，提高整體清潔度以進(jìn)一步減少破損。拋光(化學(xué)機(jī)械拋光，Chemical Mechanical Polishing)　生產(chǎn)過程中最重要的工藝是拋光晶圓片，此工藝在超凈間中進(jìn)行。超凈間從一到一萬分級，這些級數(shù)對應(yīng)于每立方米空間中的顆粒數(shù)。這些顆粒在沒有控制的大氣環(huán)境下肉眼是不可見的。例如起居室或辦公室中顆粒的數(shù)目大致在每立方米五百萬個(gè)。為了保持潔凈水平，生產(chǎn)工人必須穿能蓋住全身且不吸引和攜帶顆粒的潔凈服。在進(jìn)入超凈間前，工人必須進(jìn)入吸塵室內(nèi)以吹走可能積聚的任何顆粒。硅晶片大多數(shù)生產(chǎn)型晶圓片都要經(jīng)過兩三次的拋光,拋光料是細(xì)漿或者拋光化合物。多數(shù)情況下，晶圓片僅僅是正面拋光，而300毫米的晶圓片需要雙面拋光。除雙面拋光以外，拋光將使晶圓片的一面象鏡面一樣。拋光面用來生產(chǎn)電路，這面必須沒有任何突起、微紋、劃痕和殘留損傷。
拋光過程分為兩個(gè)步驟，切削和最終拋光。這兩步都要用到拋光墊和拋光漿。切削過程是去除硅上薄薄的一層，以生產(chǎn)出表面沒有損傷的晶圓片。最終拋光并不去除任何物質(zhì)，只是從拋光表面去除切削過程中產(chǎn)生的微坑。拋光后，晶圓片要通過一系列清洗槽的清洗，這一過程是為去除表面顆粒、金屬劃痕和殘留物。之后，要經(jīng)常進(jìn)行背面擦洗以去除最小的顆粒。這些晶圓片經(jīng)過清洗后，將他們按照最終用戶的要求分類，并在高強(qiáng)度燈光或激光掃描系統(tǒng)下檢查，以便發(fā)現(xiàn)不必要的顆粒或其他缺陷。一旦通過一系列的嚴(yán)格檢測，最終的晶圓片即被包裝在片盒中并用膠帶密封。然后把它們放在真空封裝的塑料箱子里，外部再用防護(hù)緊密的箱子封裝，以確保離開超凈間時(shí)沒有任何顆粒和濕氣進(jìn)入片盒。
　　產(chǎn)品應(yīng)用
　　半導(dǎo)體或芯片是由硅生產(chǎn)出來的。晶圓片上刻蝕出數(shù)以百萬計(jì)的晶體管，這些晶體管比人的頭發(fā)要細(xì)小上百倍。半導(dǎo)體通過控制電流來管理數(shù)據(jù)，形成各種文字、數(shù)字、聲音、圖象和色彩。它們被廣泛用于集成電路，并間接被地球上的每個(gè)人使用。這些應(yīng)用有些是日常應(yīng)用，如計(jì)算機(jī)、電信和電視，還有的應(yīng)用于先進(jìn)的微波傳送、激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、醫(yī)療診斷和治療設(shè)備、防御系統(tǒng)和NASA航天飛機(jī)。