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矽晶圓

來自 LINE TODAY 的圖片

矽晶圓,是由高純度的矽原料(Silicon)製成,經切割後而成的圓形薄板,是用於製造半導體元件的基板材料。其原始材料「 矽 」,是將二氧化矽礦石,經由電弧爐提煉、鹽酸氯化及蒸餾處理後,製成高純度的多晶矽(其純度要求高達 99.999999% )。將此多晶矽加熱溶解後再透過「長晶」這個過程將其拉成不同尺寸的矽晶圓。而依面積大小有 3吋、 4吋、 5吋、 6吋、 8吋及 12吋等規格之分(我們現在常在新聞中聽到 8 吋、 12 吋晶圓),這些矽晶圓經送至 晶圓廠 內製造晶片電路後,再經切割、測試、封裝等程序,即成為市面上一顆顆的 IC[1]。現今,半導體被廣泛應用在智慧型手機、個人電腦、電視、汽車、電動車等的電子機器之中,此材料可以說是支持著我們的日常生活,扮演著非常重要的角色。隨著5G、IoT、EV Car、AI等新應用的普及,預測半導體市場的未來仍會持續成長[2]


目錄

晶圓材料簡介

1950年代初期以前,是最普遍被使用的半導體材料,但因其能隙較小(僅0.66eV),使其操作溫度只能達到90℃,加上鍺的另一項缺點,是無法在表面提供一穩定的鈍性氧化層,反觀不僅能隙較大(1.12eV),使得操作溫度可以高達200℃,況且矽晶表面可以形成一穩定氧化層(SiO2),都讓矽在半導體的應用優於鍺,因為氧化層可以被用在基本的積體電路架構中,雖然GaAs被發現有比矽具有更高的電子移動率(electron mobility),且有直接能隙(direct bandgap),所以一度被寄與高度期待,可惜因高品質及大尺寸GaAs不易生產,因此仍無法撼動矽晶材料在半導體產業的地位。

目前半導體產業所使用的矽晶圓材料,依其製程設計和產品差異主要分為拋光晶圓(polished wafer)及磊晶晶圓(epitaxial wafer)兩種,其均由高純度電子級多晶矽經由長晶(crystal pulling)、切片(slicing)、磨邊(beveling)、磨麵(lapping)、蝕刻(etching)、拋光(polishing)、清洗(cleaning)等步驟,而生成一符合電性、表面物性、雜質標準等規格的拋光晶圓,拋光晶圓如果再經由化學氣相沉積反應,成長一層不同電阻率的單晶薄膜,就成為磊晶晶圓,為因應半導體元件發展趨勢,目前還有所謂的先進矽晶圓材料,例如:熱處理晶圓(anneal wafer)、SOI (silicon-on-insulator)晶圓等,若在蝕刻之前經過不同thermal cycle(調整熱處理溫度、時間等)或摻雜N,使晶圓表面性質更佳,便是熱處理晶圓,SOI晶圓則是由矽及氧化矽作成三明治結構,適合應用作高速、高電壓或省電元件。整個矽晶圓材料的生產製造係以長晶製程為主軸,因為矽晶圓材料主要性質是由晶體生長過程所決定,後段加工製程則在於避免造成其他的污染源與缺陷[3]

矽晶圓材料長晶法又分為CZ(Czochralski)法與FZ(float zone)法,前法所長出的矽晶圓,主要用來生產低功率積體電路元件,FZ法生長出的矽晶圓,則主要用在高功率電子元件,隨著IC技術線寬日益縮小,矽晶圓材料的微缺陷,例如COP(Crystal Originated Particle)、D-defects,對製程良率的影響更為顯著,也勢必促使矽晶圓材料規格要求更趨嚴格。

視頻

矽晶圓的製作流程跟方法是如何呢?

參考資料