半导体硅晶圆制造

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2022-06-09 15:00:04 19

晶圆是指制作硅半导体电路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种，然后慢慢拉出，形成圆柱形的单晶硅。硅晶棒在经过研磨，抛光，切片后，形成硅晶圆片，也就是晶圆。国内晶圆生产线以 8英寸和 12 英寸为主。

晶圆的主要加工方式为片加工和批加工，即同时加工1 片或多片晶圆。随着半导体特征尺寸越来越小，加工及测量设备越来越先进，使得晶圆加工出现了新的数据特点。同时，特征尺寸的减小，使得晶圆加工时，空气中的颗粒数对晶圆加工后质量及可靠性的影响增大，而随着洁净的提高，颗粒数也出现了新的数据特点。

制作流程

化学气相沉积是在制造微电子器件时被用来沉积出某种薄膜的技术，这种薄膜可能是介电材料或者半导体。物理气相沉积技术则是使用惰性气体，撞击溅镀靶材，在晶圆表面沉积出所需的材质。制程反应室内的高温和真空环境可以使这些金属原子结成晶粒，在经过图案化（patterned）和蚀刻，得到所需的导电电路。

光学显影是将光罩上的图形转换到薄膜上。光学显影一般包括光阻涂布、烘烤、光照对准、曝光和显影等步骤。干式蚀刻是最常用的蚀刻方式，其以气体为主要的蚀刻媒介，由电浆来驱动反应。蚀刻是将表面某种不需要的材质部分移除。

化学机械研磨（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是既有机械研磨又有酸碱溶液式的化学研磨两种相结合的技术，可以使晶圆表面较为平坦，方便后面工序。在进行研磨时，研磨浆在晶圆和研磨垫之间。影响 CMP 的因素有：研磨头的压力和晶圆平坦度，旋转速度，研磨浆的化学成分等等。

（晶圆制造流程图）

性能参数

硅晶圆和硅太阳能电池分别是半导体材料和半导体器件的典型代表。半导体特性参数衡量和表征材料及其器件的性能。由于载流子是半导体材料及器件的功能载体，载流子移动形成电流及电场，同时载流子具有发光、热辐射等特性，因此载流子参数是表征半导体材料及器件载流子输运特性的基础，即载流子参数是硅晶圆和硅太阳能电池特性参数的重要组成部分。当硅晶圆经过加工、制造形成硅太阳能电池后，由于 pn 结和费米能级的差异，导致载流子分离形成电压，进而有饱和电流、填充因子和光电转化效率等电性能参数直观反映并影响太阳能电池伏安特性。综上分析，硅晶圆的主要特性参数包括载流子参数。

载流子分为多数载流子和少数载流子，包括电子和空穴。载流子扩散和漂移形成电流构成半导体器件传递信息的基础。载流子输运参数是描述载流子运动和浓度的基本参数，主要包括载流子寿命、扩散系数及前、后表面复合速率等。这些参数直接反映了半导体材料的物理特性和电学性能，影响载流子浓度、迁移率；掺杂浓度是决定载流子浓度另一重要参数，影响材料电阻率和载流子寿命等参数，决定器件性能。

载流子浓度

多数半导体器件为少数载流子器件，如硅太阳能电池。本文后续提到的载流子参数均为少数载流子参数。半导体在热平衡状态下，空穴和电子浓度相等，此时为稳态；当受到外部激励（光、电、热等能量激励）时，半导体处于非平衡状态，电子和空穴均增加，形成过剩载流子。载流子寿命（lifetime），是指过剩载流子平均存在时间，载流子浓度满足指数衰减规律。

（芯片的流片服务）

载流子寿命

载流子寿命根据载流子复合类型可分为辐射复合寿命、俄歇复合寿命以及Shockley-Read-Hal（SRH）复合寿命。载流子寿命是反映材料和器件缺陷浓度的重要参数，也是衡量器件开关速度、电流增益、电压等特性的重要指标，同时对半导体激光器、光电探测器以及太阳能电池等光电子器件的电光和光电转化效率起到重要作用。

表面复合速率

载流子既在材料体内发生复合也在表面发生复合。表面复合寿命或表面复合速率（Surface recombination velocity，s）是描述载流子在表面复合快慢的物理量。表面复合寿命越大说明表面复合速率越低，反之，表面复合速率越高。表面粗糙度、表面悬挂键等表面物理性质和状态是影响表面复合速率的关键。表面复合速率是表征材料的表面质量的重要性能参数。

有效寿命

载流子有效寿命是将体寿命和表面复合寿命综合的参数，是特定样件载流子整体寿命的表征。目前大多数检测技术检测的载流子寿命为载流子有效寿命，无法将体寿命和表面复合速率分离，因此很难逐一分析表面处理工艺、体内缺陷和掺杂等过程对硅晶圆和太阳能电池性能的影响。

扩散系数

扩散系数（Diffusion coefficient，D）是表征在单位时间单位面积上，载流子通过界面快慢的物理量。扩散系数和载流子寿命共同决定载流子扩散长度（Diffusion length），扩散长度是评价材料性能的典型参数，载流子扩散长度越长材料质量越好；对于太阳能电池来说，载流子扩散长度越长载流子分离和收集效率越好、光电转化效率越高。

掺杂

掺杂是形成功能半导体的必要环节，掺杂浓度对电阻率和载流子输运参数有着重要影响。本征半导体，即不掺杂半导体，常温时电阻率非常高，随着掺杂浓度增加，电阻率降低，载流子寿命和扩散长度逐渐降低。

半导体硅晶圆制造（视频）

半导体晶圆生产工艺流程

半导体生产过程是由晶片制造(Wafer Fabrication)、晶圆测试(waferProbe/Sorting)，晶片封装(Assemble)、测试(Test)和最终成品(FinishGoods)入库构成。

半导体设备的制造过程分为前道和后道两道工序，晶片的制造和测试被称为前道(FrontEnd)工序，而芯片的封装、测试和成品入库则是所谓的后道工序，在不同的工厂里，前道和后道一般是分开处理的。

前面的步骤是从整块硅圆片开始，经过多次反复制膜、氧化、扩散，包括照相制版、光刻过程，再加工成三极管、集成电路等半导体元件及电极等，发展材料的电子功能，以达到所需的元件特性。

后道工序是从一片晶圆玻璃分切片开始，进行装片、固定、键合连接、塑料灌封、引出接线端子、打印检印等工序，完成作为器件、组件封装体，以确保元器件的封装体，使元器件与外电路联接。

半导体生产过程及工艺。

用硅片制造晶片主要是制造晶圆上嵌入电子元件(如电晶体、电容、逻辑闸等)的电路，这是所需技术最复杂、投资最大的工艺。作为一个例子，单片机的加工工序多达几百道，而且需要的加工设备也比较先进，成本较高。尽管细节处理程序会随着产品类型和使用技术的改变而发生变化，但是它的基本处理步骤通常是晶圆片首先进行适当的清洗，然后经过氧化和沉淀处理，最后通过多次的微影、蚀刻和离子植入等步骤，最终完成了晶圆上电路的加工和制造。

在用切割法切割晶圆时，表面会形成一道小格子，每一小格都是一个晶片或晶粒(Die)，也就是一个独立的集成电路。通常来说，一块晶圆上产生的晶片规格是一样的，但在同一晶圆上也可以制成规格等级不同的晶片。单晶测试有两项任务：一是验收测试每一块晶片，并用针头测试仪(Probe)检验每一块晶片是否合格。如果切割时，不符合标准的晶片将被标记为不符合要求的晶片，以及每一个晶片的电气特性(例如功率等)检测和分组。并做出相应的区别标记。

首先，把切好的片子粘在框架衬里(Substrate)上；第二，用超细的金属丝或导电性树脂将晶片的焊接板与框衬的插脚连接起来。在外部电路中连接晶片，形成一种特殊规格的集成电路芯片(Bin)；最后，它是用塑料外壳对独立芯片进行保护，为防止晶片元件受到外部破坏而损坏。封口后，还需要一系列的工序，如后固化(PostMoldCure)、筋条(Trim)、成形(Form)和电镀(Plating)。

在成功地通过烤炉(BurnIn)之后，芯片测试封装芯片需要进行深度测试，测试包括初始测试(InitialTest)和最终测试(FinalTest)。初试即将封装好的芯片在各种环境中测试其电气特性(如运转速度、功率、频率等)，筛选出不能工作的芯片，并根据电特性将正常工作的芯片分成不同等级。最终测试是在初始测试之后，将芯片在不同层次上进行转换。

出库后，试片通过半成品库，进入最终加工，包括激光印刷、出厂检验、成品包装等，最后入库。

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