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313aa6125eef14d7d5cc8cc82f89d9e8 在半導體的新聞中,總是會提到以尺寸標示的晶圓廠,如 8 吋或是 12 吋晶圓廠,然而,所謂的晶圓到底是什麼東西?其中 8 吋指的是什麼部分?要產出大尺寸的晶圓製造又有什麼難度呢?以下將逐步介紹半導體最重要的基礎——「晶圓」到底是什麼。

何謂晶圓?

晶圓(wafer),是製造各式電腦晶片的基礎。我們可以將晶片製造比擬成用樂高積木蓋房子,藉由一層又一層的堆疊,完成自己期望的造型(也就是各式晶片)。然而,如果沒有良好的地基,蓋出來的房子就會歪來歪去,不合自己所意,為了做出完美的房子,便需要一個平穩的基板。對晶片製造來說,這個基板就是接下來將描述的晶圓。

(Souse:Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0)

首先,先回想一下小時候在玩樂高積木時,積木的表面都會有一個一個小小圓型的凸出物,藉由這個構造,我們可將兩塊積木穩固的疊在一起,且不需使用膠水。晶片製造,也是以類似這樣的方式,將後續添加的原子和基板固定在一起。因此,我們需要尋找表面整齊的基板,以滿足後續製造所需的條件。

在固體材料中,有一種特殊的晶體結構──單晶(Monocrystalline)。它具有原子一個接著一個緊密排列在一起的特性,可以形成一個平整的原子表層。因此,採用單晶做成晶圓,便可以滿足以上的需求。然而,該如何產生這樣的材料呢,主要有二個步驟,分別為純化以及拉晶,之後便能完成這樣的材料。

 

如何製造單晶的晶圓

純化分成兩個階段,第一步是冶金級純化,此一過程主要是加入碳,以氧化還原的方式,將氧化矽轉換成 98% 以上純度的矽。大部份的金屬提煉,像是鐵或銅等金屬,皆是採用這樣的方式獲得足夠純度的金屬。但是,98% 對於晶片製造來說依舊不夠,仍需要進一步提升。因此,將再進一步採用西門子製程(Siemens process)作純化,如此,將獲得半導體製程所需的高純度多晶矽。

▲ 矽柱製造流程(Source: Wikipedia

接著,就是拉晶的步驟。首先,將前面所獲得的高純度多晶矽融化,形成液態的矽。之後,以單晶的矽種(seed)和液體表面接觸,一邊旋轉一邊緩慢的向上拉起。至於為何需要單晶的矽種,是因為矽原子排列就和人排隊一樣,會需要排頭讓後來的人該如何正確的排列,矽種便是重要的排頭,讓後來的原子知道該如何排隊。最後,待離開液面的矽原子凝固後,排列整齊的單晶矽柱便完成了。

▲ 單晶矽柱(Souse:Wikipedia

然而,8 吋、12 吋又代表什麼東西呢?其實指的是晶柱,也就是上方圖片中長得像鉛筆筆桿部分的直徑。至於製造大尺寸晶圓又有什麼難度呢?如前面所說,晶柱的製作過程就像是在做棉花糖一樣,一邊旋轉一邊成型。有製作過棉花糖的話,應該都知道要做出大而且扎實的棉花糖是相當困難的,而拉晶的過程也是一樣,旋轉拉起的速度以及溫度的控制都會影響到晶柱的品質。也因此,尺寸愈大時,拉晶對速度與溫度的要求就更高,因此要做出高品質 12 吋晶圓的難度就比 8 吋晶圓還來得高。

只是,一整條的矽柱並無法做成晶片製造的基板,為了產生一片一片的矽晶圓,接著需要以鑽石刀將矽晶柱橫向切成圓片,圓片再經由拋光便可形成晶片製造所需的矽晶圓。經過這麼多步驟,晶片基板的製造便大功告成,下一步便是堆疊房子的步驟,也就是晶片製造。

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