晶圆

用于制造集成电路的半导体材料圆形薄片

晶圆(英语:Wafer)是半导体晶体圆形片的简称,其为圆柱状半导体晶体的薄切片,用于集成电路制程中作为载体基片,以及制造太阳能电池;由于其形状为圆形,故称为晶圆。最常见的是硅晶圆,另有氮化镓晶圆、碳化硅晶圆等;一般晶圆产量多为单晶硅圆片。

刻蚀(etch)工艺处理后的晶圆

晶圆是最常用的半导体器件,按其直径分为3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸等规格,近来发展出12英寸甚至研发更大规格(14英寸、15英寸、16英寸、20英寸以上等)。晶圆越大,同一圆片上可生产的集成电路(integrated circuit, IC)就越多,可降低成本;但对材料技术和生产技术的要求更高,例如均匀度等等的问题,使得近年来晶圆不再追求更大,有些时候厂商会基于成本及良率等因素而停留在成熟的旧工艺[1]。一般认为硅晶圆的直径越大,代表着这座晶圆厂有更好的技术,在生产晶圆的过程当中,良品率是很重要的条件[2]

制造过程

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柴可拉斯基法示意图

很简单的说,首先由普通硅砂拉制提炼,经过溶解提纯蒸馏一系列措施制成单晶硅棒,单晶硅棒经过切片抛光之后,就得到了单晶硅圆片,也即单晶硅晶圆。

  1. 二氧化硅矿石(石英砂)与焦炭混合后,经由电弧炉加热还原,即生成粗硅(纯度98%,冶金级)。SiO2 + C = Si + CO2[3]
  2. 盐酸氯化并经蒸馏后,制成了高纯度的多晶硅(半导体级纯度11个9,太阳能级7个9),因在精密电子器件当中,硅晶圆需要有相当的纯度(99.999999999%),不然会产生缺陷。
  3. 晶圆制造厂再以柴可拉斯基法将此多晶硅熔解,再于溶液内掺入一小粒的硅晶体晶种,然后将其慢慢拉出,以形成圆柱状的单晶硅晶棒,由于硅晶棒是由一颗小晶粒在融熔态的硅原料中逐渐生成,此过程称为“长晶”。这根晶棒的直径,就是晶圆的直径。
  4. 硅晶棒再经过切片、研磨、抛光后,即成为集成电路工厂的基本原料——硅晶圆片,这就是“晶圆”(wafer)。
  5. 晶圆经多次光掩模处理,其中每一次的步骤包括感光剂涂布、曝光、显影、腐蚀、渗透、植入、刻蚀或蒸著等等,将其光掩模上的电路克隆到层层晶圆上,制成具有多层线路与器件的IC晶圆,再交由后段的测试、切割、封装厂,以制成实体的集成电路成品。一般来说,大晶圆(12吋)多是用来制作记忆体等技术层次较高的IC,而小晶圆(6吋)则多用来制作模拟IC等技术层次较低之IC,8吋的话则都有。

从晶圆要加工成为产品需要专业精细的分工。

著名晶圆厂商

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2吋、4吋、6吋、与8吋晶圆

英特尔(Intel)等公司自行设计并制造自己的IC晶圆直至完成并行销其产品。三星电子等则兼有晶圆代工及自制业务。

晶圆基片制造

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例如:环球晶(台湾股票代号:6488)、合晶(台湾股票代号:6182)、中美晶(台湾股票代号:5483),日本的信越化学SUMCO(胜高),美国的Cree(科锐)。

著名晶圆代工厂有台积电安森美联华电子格芯(Global Foundries)及中芯国际等。

封装测试

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日月光半导体艾克尔国际科技等则为世界前二大晶圆产业后段的封装、测试厂商。

 
英特尔博物馆所展示的硅晶棒

其他相关

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多晶硅生产

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主要制造多晶硅的大厂有: Hemlock(美国)、MEMC(美国)、Wacker(德国)、REC(挪威)、东洋化工/OCI(韩国)、德山/Tokuyama(日本)和 协鑫集团/GCL(中国)。

IC设计

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仅从事IC设计的公司有美国的高通辉达AMD,台湾的威盛联发科技等。

南亚科技瑞晶科技(现已并入美光科技,更名台湾美光记忆体)、Hynix美光科技(Micron)等则专于记忆体产品。

生产设备

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引用和注释

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  1. ^ 老舊製程擦亮!8 吋代工市場在熱什麼??. [2020-12-26]. (原始内容存档于2020-11-27). 
  2. ^ 半導體產業的根基:矽晶圓是什麼?. [2015-07-26]. (原始内容存档于2015-07-25). 
  3. ^ 痞客帮 - 半导体产业上游---硅晶圆产业页面存档备份,存于互联网档案馆