半導體硅晶圓制造

印寧華|印寧華|Indining China|

2022-06-09 15:00:04 4

晶圓是指制作硅半導體電路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高純度的多晶硅溶解后摻入硅晶體晶種，然后慢慢拉出，形成圓柱形的單晶硅。硅晶棒在經過研磨，拋光，切片后，形成硅晶圓片，也就是晶圓。國內晶圓生產線以 8英寸和 12 英寸為主。

晶圓的主要加工方式為片加工和批加工，即同時加工1 片或多片晶圓。隨著半導體特征尺寸越來越小，加工及測量設備越來越先進，使得晶圓加工出現了新的數據特點。同時，特征尺寸的減小，使得晶圓加工時，空氣中的顆粒數對晶圓加工后質量及可靠性的影響增大，而隨著潔凈的提高，顆粒數也出現了新的數據特點。

制作流程

化學氣相沉積是在制造微電子器件時被用來沉積出某種薄膜的技術，這種薄膜可能是介電材料或者半導體。物理氣相沉積技術則是使用惰性氣體，撞擊濺鍍靶材，在晶圓表面沉積出所需的材質。制程反應室內的高溫和真空環境可以使這些金屬原子結成晶粒，在經過圖案化（patterned）和蝕刻，得到所需的導電電路。

光學顯影是將光罩上的圖形轉換到薄膜上。光學顯影一般包括光阻涂布、烘烤、光照對準、曝光和顯影等步驟。干式蝕刻是最常用的蝕刻方式，其以氣體為主要的蝕刻媒介，由電漿來驅動反應。蝕刻是將表面某種不需要的材質部分移除。

化學機械研磨（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是既有機械研磨又有酸堿溶液式的化學研磨兩種相結合的技術，可以使晶圓表面較為平坦，方便后面工序。在進行研磨時，研磨漿在晶圓和研磨墊之間。影響 CMP 的因素有：研磨頭的壓力和晶圓平坦度，旋轉速度，研磨漿的化學成分等等。

（晶圓制造流程圖）

性能參數

硅晶圓和硅太陽能電池分別是半導體材料和半導體器件的典型代表。半導體特性參數衡量和表征材料及其器件的性能。由于載流子是半導體材料及器件的功能載體，載流子移動形成電流及電場，同時載流子具有發光、熱輻射等特性，因此載流子參數是表征半導體材料及器件載流子輸運特性的基礎，即載流子參數是硅晶圓和硅太陽能電池特性參數的重要組成部分。當硅晶圓經過加工、制造形成硅太陽能電池后，由于 pn 結和費米能級的差異，導致載流子分離形成電壓，進而有飽和電流、填充因子和光電轉化效率等電性能參數直觀反映并影響太陽能電池伏安特性。綜上分析，硅晶圓的主要特性參數包括載流子參數。

載流子分為多數載流子和少數載流子，包括電子和空穴。載流子擴散和漂移形成電流構成半導體器件傳遞信息的基礎。載流子輸運參數是描述載流子運動和濃度的基本參數，主要包括載流子壽命、擴散系數及前、后表面復合速率等。這些參數直接反映了半導體材料的物理特性和電學性能，影響載流子濃度、遷移率；摻雜濃度是決定載流子濃度另一重要參數，影響材料電阻率和載流子壽命等參數，決定器件性能。

載流子濃度

多數半導體器件為少數載流子器件，如硅太陽能電池。本文后續提到的載流子參數均為少數載流子參數。半導體在熱平衡狀態下，空穴和電子濃度相等，此時為穩態；當受到外部激勵（光、電、熱等能量激勵）時，半導體處于非平衡狀態，電子和空穴均增加，形成過剩載流子。載流子壽命（lifetime），是指過剩載流子平均存在時間，載流子濃度滿足指數衰減規律。

（芯片的流片服務）

載流子壽命

載流子壽命根據載流子復合類型可分為輻射復合壽命、俄歇復合壽命以及Shockley-Read-Hal（SRH）復合壽命。載流子壽命是反映材料和器件缺陷濃度的重要參數，也是衡量器件開關速度、電流增益、電壓等特性的重要指標，同時對半導體激光器、光電探測器以及太陽能電池等光電子器件的電光和光電轉化效率起到重要作用。

表面復合速率

載流子既在材料體內發生復合也在表面發生復合。表面復合壽命或表面復合速率（Surface recombination velocity，s）是描述載流子在表面復合快慢的物理量。表面復合壽命越大說明表面復合速率越低，反之，表面復合速率越高。表面粗糙度、表面懸掛鍵等表面物理性質和狀態是影響表面復合速率的關鍵。表面復合速率是表征材料的表面質量的重要性能參數。

有效壽命

載流子有效壽命是將體壽命和表面復合壽命綜合的參數，是特定樣件載流子整體壽命的表征。目前大多數檢測技術檢測的載流子壽命為載流子有效壽命，無法將體壽命和表面復合速率分離，因此很難逐一分析表面處理工藝、體內缺陷和摻雜等過程對硅晶圓和太陽能電池性能的影響。

擴散系數

擴散系數（Diffusion coefficient，D）是表征在單位時間單位面積上，載流子通過界面快慢的物理量。擴散系數和載流子壽命共同決定載流子擴散長度（Diffusion length），擴散長度是評價材料性能的典型參數，載流子擴散長度越長材料質量越好；對于太陽能電池來說，載流子擴散長度越長載流子分離和收集效率越好、光電轉化效率越高。

摻雜

摻雜是形成功能半導體的必要環節，摻雜濃度對電阻率和載流子輸運參數有著重要影響。本征半導體，即不摻雜半導體，常溫時電阻率非常高，隨著摻雜濃度增加，電阻率降低，載流子壽命和擴散長度逐漸降低。

半導體硅晶圓制造（視頻）

半導體晶圓生產工藝流程

半導體生產過程是由晶片制造(Wafer Fabrication)、晶圓測試(waferProbe/Sorting)，晶片封裝(Assemble)、測試(Test)和最終成品(FinishGoods)入庫構成。

半導體設備的制造過程分為前道和后道兩道工序，晶片的制造和測試被稱為前道(FrontEnd)工序，而芯片的封裝、測試和成品入庫則是所謂的后道工序，在不同的工廠里，前道和后道一般是分開處理的。

前面的步驟是從整塊硅圓片開始，經過多次反復制膜、氧化、擴散，包括照相制版、光刻過程，再加工成三極管、集成電路等半導體元件及電極等，發展材料的電子功能，以達到所需的元件特性。

后道工序是從一片晶圓玻璃分切片開始，進行裝片、固定、鍵合連接、塑料灌封、引出接線端子、打印檢印等工序，完成作為器件、組件封裝體，以確保元器件的封裝體，使元器件與外電路聯接。

半導體生產過程及工藝。

用硅片制造晶片主要是制造晶圓上嵌入電子元件(如電晶體、電容、邏輯閘等)的電路，這是所需技術最復雜、投資最大的工藝。作為一個例子，單片機的加工工序多達幾百道，而且需要的加工設備也比較先進，成本較高。盡管細節處理程序會隨著產品類型和使用技術的改變而發生變化，但是它的基本處理步驟通常是晶圓片首先進行適當的清洗，然后經過氧化和沉淀處理，最后通過多次的微影、蝕刻和離子植入等步驟，最終完成了晶圓上電路的加工和制造。

在用切割法切割晶圓時，表面會形成一道小格子，每一小格都是一個晶片或晶粒(Die)，也就是一個獨立的集成電路。通常來說，一塊晶圓上產生的晶片規格是一樣的，但在同一晶圓上也可以制成規格等級不同的晶片。單晶測試有兩項任務：一是驗收測試每一塊晶片，并用針頭測試儀(Probe)檢驗每一塊晶片是否合格。如果切割時，不符合標準的晶片將被標記為不符合要求的晶片，以及每一個晶片的電氣特性(例如功率等)檢測和分組。并做出相應的區別標記。

首先，把切好的片子粘在框架襯里(Substrate)上；第二，用超細的金屬絲或導電性樹脂將晶片的焊接板與框襯的插腳連接起來。在外部電路中連接晶片，形成一種特殊規格的集成電路芯片(Bin)；最后，它是用塑料外殼對獨立芯片進行保護，為防止晶片元件受到外部破壞而損壞。封口后，還需要一系列的工序，如后固化(PostMoldCure)、筋條(Trim)、成形(Form)和電鍍(Plating)。

在成功地通過烤爐(BurnIn)之后，芯片測試封裝芯片需要進行深度測試，測試包括初始測試(InitialTest)和最終測試(FinalTest)。初試即將封裝好的芯片在各種環境中測試其電氣特性(如運轉速度、功率、頻率等)，篩選出不能工作的芯片，并根據電特性將正常工作的芯片分成不同等級。最終測試是在初始測試之后，將芯片在不同層次上進行轉換。

出庫后，試片通過半成品庫，進入最終加工，包括激光印刷、出廠檢驗、成品包裝等，最后入庫。

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