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                什么是wafer(晶圓)?

                什么是wafer(晶圓)?

                編輯:轉自:材料科學與工程技術 發布時間:2023-07-14

                什么是硅片或者晶圓?

                硅片,英文名字為Wafer,也叫晶圓,是高純度結晶硅的薄片。硅晶圓作為芯片的基板,在制造電子電路中特別有用。硅作為整個宇宙中最常見的元素排名第七,也是地球上第二常見的元素。一些常見的含硅材料包括沙子、石英等。硅是磚、水泥和玻璃等建筑材料的主要元素之一。硅目前是半導體技術領域中使用最廣泛的半導體。

                雖然硅芯片可能看起來像金屬,但它們并不完全是金屬。由于原子間容易移動的“自由電子”,金屬是電的良導體,電就是電子的運動。另一方面,純硅晶體幾乎是絕緣體;允許很少的電流通過它。然而,通過給硅片摻雜可以改變硅片的導電能力。

                摻雜是將少量雜質混入硅晶體以改變其行為并將其集成到導體中。這些用于摻雜的雜質稱為摻雜劑。硅本身不能很好地導電;但是,它可以精確地摻雜以將電阻率控制到精確的水平。在芯片制造過程中添加硅摻雜劑,例如氮、銦、鋁、鎵和硼。因此,要使非導電硅形成半導體,硅必須變成晶圓。

                硅晶圓有多種形狀和尺寸,具體取決于它們的用途。晶圓從2英寸到12英寸都有,常見的是6英寸、8英寸和12英寸。它們是集成電路中的關鍵材料,集成電路由多個旨在執行特定任務的晶體管組成。硅是一種具有拋光鏡面表面的扁平圓盤,它無處不在,幾乎在每個電子設備中都有它的身影。它是制造半導體的常用材料,硅表面光滑,提高了純度,適用于半導體器件。硅片制造方法是 Vertical Bridgeman 和 Czochralski 拉法。

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                硅晶圓的工作原理

                從沙子中提取硅后,需要在使用前對其進行純化。它首先被加熱,直到它熔化成純度約為 99.9999999% 或更高且無缺陷的高純度液體。然后通過使用 Floating Zone 或 Czochralski 工藝等常見制造方法,使其凝固成硅棒或硅錠。Czochralski 的方法包括將一小塊固體硅放置在熔融硅池中,然后隨著液體轉變成圓柱形硅錠而緩慢旋轉。這就是為什么最終產品晶圓都是圓盤狀的。在完全冷卻之前,金屬錠的金字塔形末端被拉掉。然后使用鋒利的金剛石鋸片將主體切成相同厚度的薄晶片。這闡明了為什么鑄錠的直徑會成為晶圓尺寸的決定因素。

                在 50 年代的半導體工業初期,晶圓的直徑只有三英寸。從那時起,晶圓尺寸穩步增加,導致以更低的成本和更高的生產率生產更多的芯片。半導體晶圓有多種直徑,從 25.4 毫米(1 英寸)到 300 毫米(11.8 英寸)不等。雖然 450 毫米(18 英寸)晶圓直徑可用,但尚未廣泛使用。

                成品晶圓的厚度和直徑必須與晶圓將用于制造的材料的機械強度和其他物理質量相對應。成品必須足夠堅固以支撐其重量而不會在處理晶圓各種應用的產品時破碎。隨著在切片制造中添加更多材料,晶圓的直徑增加,晶圓的重量也增加。當添加了足夠的重量后,直徑不能增加,因為它會損害切片的強度。

                如果重物放置不當,相對較小的壓力就足以破壞晶圓。切片晶圓必須經過處理才能用于制造。CMP工藝和研磨化學品用于將晶圓的粗糙表面拋光至完美光滑的表面。無可挑剔的表面使晶圓表面的印刷電路布局更容易。

                以下是完整晶圓的每個組件的名稱和功能。

                1. Edge Die(chips) : 視為生產損耗。晶圓邊緣的芯片。晶圓越大,芯片損失越少。

                2.劃線:在功能部分之間,有狹窄的非功能區域,鋸可以在這些區域安全地切割晶圓而不會破壞電路。這些薄的區域是劃線

                3.芯片:有電子電路圖案的一小塊硅

                4.平面區:晶圓的邊緣被拉平以幫助晶圓定位和類型識別。

                5.測試元件組 (TEG):顯示芯片實際物理特性(二極管、電路、電容器、晶體管和電阻器)的原型圖案,以便對其進行測試以了解其是否正常工作。

                硅晶圓有哪些不同類型?

                所有的硅晶圓都是非常有用的組件,只是有不同的變化用于不同的目的。因此,必須了解不同類型的硅晶圓。目前常用的硅片主要有兩種。這些都是:

                • 無摻雜硅片

                • 摻雜硅片

                未摻雜硅晶片

                未摻雜硅晶片,也稱為本征或浮區 (FZ),其中沒有任何摻雜劑。它們由嚴格的純晶體硅制成。這種硅片被公認為理想的半導體。

                摻雜硅晶圓

                摻雜硅片是在形成過程中向硅晶體中引入摻雜劑(某種雜質)而形成的。當硼被添加到混合物中時,就產生了 P 型摻雜硅晶片。P 型硅片有許多帶正電的空穴。為了生產 N 型摻雜硅晶片,將添加磷、砷或銻等元素。N型硅片中有一個帶負電的電子。晶圓中發現的摻雜劑數量將確定它是退化的還是外來的。簡并意味著其中有更高濃度的摻雜劑,而外在意味著它有很少或中等的摻雜劑。

                晶圓應用

                如前所述,硅晶圓的主要用途是在集成電路 (IC) 中,因為它構成了 IC 的關鍵組件。IC 是協同工作以執行特定任務的電子元件的集合。盡管隨著時間的推移對不同的半導體進行了測試,但硅已被證明是更穩定的選擇。硅晶圓用于世界各地的各種小工具。它的應用跨越不同類型的行業。以下是硅晶片用例的詳細信息:

                1. 半導體

                半導體有不同的形式和形狀,是各種電子設備的基石。這些包括晶體管、二極管和集成電路。它們是使用硅晶片制造的,因此具有緊湊性和效率。由于它們能夠處理各種電壓或電流,它們被用于光學傳感器、功率設備,甚至激光器。

                2.電子和計算

                硅晶圓被廣泛應用于電子和計算領域,是數字時代的推動者。RAM 芯片是一種集成電路,由硅晶圓制成。這使得硅晶圓在計算行業中占有重要地位。此外,硅晶圓通常用于制造許多設備,如智能手機、汽車電子產品、家用電器和無人機技術。實際上,任何電子電路設備都有硅晶圓的高級用例。新的制造技術和自動化流程使它們更加有效和高效。

                3. 光學

                對于光學分級,拋光硅晶片通常是專門制造的。硅晶圓是反射光學和紅外 (IR) 應用中理想的經濟材料。Floating Zone 或 CZ 制造方法用于制造用于光學器件的硅晶圓。這是因為這些方法產生的缺陷更少并且比其他方法更高。在全世界的微光學和光纖設備中都有使用。一個明顯的例子是由相機中使用的互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 制成的圖像傳感器 (CIS)。

                4.太陽能電池

                太陽能電池需要硅晶片來提高效率并吸收更多的陽光。經常使用非晶硅、單晶硅和碲化鎘等材料。Floating Zone 方法等制造工藝可將太陽能電池效率提高近 25%。就像微芯片一樣,太陽能電池也遵循類似的制造過程。太陽能電池所需的純度和質量水平不像用于計算和其他電子產品那樣苛刻。

                5.航天

                由于其優越的性能和品質,硅片自問世以來就被廣泛應用于航空領域。硅晶片在航空工業中經常用作覆蓋和粘合材料,并用于保護和隔離精密工具免受極端溫度的影響。幾十年來,由于其廣泛的使用和耐高溫性,它一直是一個不錯且值得信賴的選擇。有機硅是該行業中最常用的材料。在長鏈氧以及硅成分上形成的具有化學凝聚力的聚合物構成了其中的大部分。硅晶圓對飛機原始設備制造 (OEM) 以及維修、維護和大修非常有幫助。飛機由于頻繁使用而磨損,需要更換。

                小結

                硅晶片幾乎用于人類生活的每一個元素和技術的進步。由于其相對于其他半導體材料的穩定性,硅晶片是技術領域中使用最廣泛的材料。與其他金屬物質相比,它們不僅提供了更好的選擇,而且在地球上也隨處可見。正是由于對硅、碳化硅 (SiC)、鍺、砷化物和鎵等半導體材料的開發和研究,技術進步才有可能達到如此巨大的水平。多虧了由硅晶片驅動的 IC 的發明,科學家和發明家已經利用它來將大型笨重的機器簡化為易于隨身攜帶的手持設備。這已成為大多數制造業領域的廣泛創新變革。


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