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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。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。

晶圓材料簡介

1950年代初期以前，鍺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，反觀矽不僅能隙較大（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。

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。

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矽晶圓的製作流程跟方法是如何呢?