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造晶圆需要哪些半导体设备

众所周知,半导体作为最重要的工业之一,每年为全球奉献近五千亿美金的产量,能够毫不夸张的说,半导体技能无处不在。俗话说:巧妇难为无米之炊,硅晶圆作为制造半导体器材和芯片的根本资料,在工业中扮演着无足轻重的地位,硅是当今最重要、使用最广泛的半导体资料。

硅是非常常见的物质,如沙子里边就有二氧化硅,但沙子到硅晶体这可是个非常杂乱的进程,如沙子要经过提纯、高温整形再到旋转拉伸……单晶硅是晶圆最初始的状况,在实践使用中仍不行,还需求制造成晶圆,并且是要求很高的圆圆晶体。在实践的出产中,我们通常将二氧化硅还原成单晶硅,可是这个进程难度很高,由于实践用到的晶圆纯度很高,要达到99.999%以上,常用的晶圆出产进程包含硅的纯化、纯硅制成硅晶棒、制造成电路的石英半导体资料、照相制版、硅资料研磨和抛光、多晶硅融解然后拉出单晶硅晶棒再到最后切割成一片薄薄的晶圆。

常见的硅晶圆出产流程

硅在自然界中以硅酸盐或二氧化硅的方式广泛存在于岩石、砂砾中,硅晶圆的制造有三大进程:硅提炼及提纯、单晶硅成长、晶圆成型。

一、 硅提炼及提纯

硅的提纯是第一道工序,需将沙石质料放入一个温度超过两千摄氏度的并有碳源的电弧熔炉中,在高温下发作还原反响得到冶金级硅,然后将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢反响,生成液态的硅烷,然后经过蒸馏和化学还原工艺,得到了高纯度的多晶硅。

二、 单晶硅成长

晶圆企业常用的是直拉法,如上图所示,高纯度的多晶硅放在石英坩埚中,并用外面围绕着的石墨加热器不断加热,温度维持在大约一千多摄氏度,炉中的空气通常是惰性气体,使多晶硅熔化,同时又不会产生不需求的化学反响。

为了构成单晶硅,还需求操控晶体的方向,坩埚带着多晶硅熔化物在旋转,把一颗籽晶浸入其间,并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转,同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。

熔化的多晶硅会粘在籽晶的底端,按籽晶晶格摆放的方向不断地成长上去。用直拉法成长后,单晶棒将按适当的尺度进行切割,然后进行研磨,再用化学机械抛光工艺使其至少一面润滑如镜,这时候晶圆片就制造完成了。

晶圆制造厂把这些多晶硅融解,再在融液里种入籽晶,然后将其慢慢拉出,以构成圆柱状的单晶硅晶棒,由于硅晶棒是由一颗晶面取向断定的籽晶在熔融态的硅质猜中逐步生成。

三、晶圆成型

完成了上述两道工艺, 硅晶棒再经过切段,滚磨,切片,倒角,抛光,激光刻,包装后,即成为集成电路工厂的根本质料——硅晶圆片,这就是“晶圆”。

在现实中,常常会听到人们讲几寸晶圆厂,它是说出产单片晶圆的尺度。一般情况下,硅晶圆直径越大,代表晶圆厂技能实力越强,如中芯世界以12寸晶圆为主,台积电的8寸晶圆等。为了将电晶体与导线尺度缩小,能够将几片晶圆制造在同一片晶圆上,制造出更多的硅晶粒,可是硅晶圆出产最关键的参数就是良品率,这是晶圆厂的核心技能参数,它与硅晶圆出产设备的质量密不行分。

制造一颗硅晶圆需求的半导体设备

制造一颗硅晶圆需求的半导体设备大致有十个,它们分别是单晶炉、气相外延炉、氧化炉、磁控溅射台、化学机械抛光机、光刻机、离子注入机、引线键合机、晶圆划片机、晶圆减薄机,其实光刻机仅仅九牛一毛。

1、单晶炉

单晶炉是一种在惰性气体(氮气、氦气为主)环境中,用石墨加热器将多晶硅等多晶资料熔化,用直拉法成长无错位单晶硅的设备。在实践出产单晶硅进程中,它扮演着操控硅晶体的温度和质量的关键效果。

由于单晶直径在成长进程中可遭到温度、提拉速度与转速、坩埚跟踪速度、维护气体流速等因素影响,其间出产的温度首要决议能否成晶,而速度将直接影响到晶体的内在质量,而这种影响却只能在单晶拉出后经过检测才能获悉,单晶炉首要操控的方面包含晶体直径、硅功率操控、走漏率和氩气质量等。

2、气相外延炉

气相外延炉首要是为硅的气相外延成长供给特定的工艺环境,完成在单晶上成长与单晶晶相具有对应联系的薄层晶体。外延成长是指在单晶衬底(基片)上成长一层有必定要求的、与衬底晶向相同的单晶层,犹如原来的晶体向外延伸了一段,为了制造高频大功率器材,需求减小集电极串联电阻,又要求资料能耐高压和大电流,因此需求在低阻值衬底上成长一层薄的高阻外延层。

气相外延炉能够为单晶沉底完成功能化做基础准备,气相外延即化学气相堆积的一种特殊工艺,其成长薄层的晶体结构是单晶衬底的延续,并且与衬底的晶向坚持对应的联系。

3、氧化炉

硅与含有氧化物质的气体,例如水汽和氧气在高温下进行化学反响,而在硅片外表产生一层细密的二氧化硅薄膜,这是硅平面技能中一项重要的工艺。氧化炉的首要功能是为硅等半导体资料进行氧化处理,供给要求的氧化氛围,完成半导体预期设计的氧化处理进程,是半导体加工进程的不行短少的一个环节。

4、磁控溅射台

磁控溅射是物理气相堆积的一种,一般的溅射法可被用于制备半导体等资料,且具有设备简单、易于操控、镀膜面积大和附着力强等优点。在硅晶圆出产进程中,经过二极溅射中一个平行于靶外表的封闭磁场,和靶外表上构成的正交电磁场,把二次电子捆绑在靶外表特定区域,完成高离子密度和高能量的电离,把靶原子或分子高速率溅射堆积在基片上构成薄膜。

5、化学机械抛光机

一种进行化学机械研磨的机器,在硅晶圆制造中,跟着制程技能的晋级、导线与栅极尺度的缩小,光刻技能对晶圆外表的平整程度的要求越来越高,IBM公司于1985年开展CMOS产品引入,并在1990年成功使用于64MB的DRAM出产中,1995年以后,CMP技能得到了快速开展,大量使用于半导体工业。

化学机械研磨亦称为化学机械抛光,其原理是化学腐蚀效果和机械去除效果相结合的加工技能,是现在机械加工中唯一能够完成外表大局平整化的技能。在实践制造中,它首要的效果是经过机械研磨和化学液体溶解“腐蚀”的归纳效果,对被研磨体(半导体)进行研磨抛光。

6、光刻机

又叫掩模对准曝光机、曝光体系、光刻体系等,常用的光刻机是掩膜对准光刻,一般的光刻工艺要经历硅片外表清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。在硅片外表匀胶,然后将掩模版上的图形转移光刻胶上的进程将器材或电路结构临时“复制”到硅片上的进程。

7、离子注入机

它是高压小型加快器中的一种,使用数量最多。它是由离子源得到所需求的离子,经过加快得到几百千电子伏能量的离子束流,用做半导体资料、大规模集成电路和器材的离子注入,还用于金属资料外表改性和制膜等  。

在进行硅出产工艺里边,需求用到离子注入机对半导体外表附近区域进行掺杂,离子注入机是集成电路制造前工序中的关键设备,离子注入是对半导体外表附近区域进行掺杂的技能意图是改变半导体的载流子浓度和导电类型,离子注入与惯例热掺杂工艺相比可对注入剂量角度和深度等方面进行精确的操控,克服了惯例工艺的限制,降低了成本和功耗。

8、引线键合机

它的首要效果是把半导体芯片上的Pad与管脚上的Pad,用导电金属线(金丝)链接起来。引线键合是一种使用细金属线,利用热、压力、超声波能量为使金属引线与基板焊盘紧密焊合,完成芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。在抱负操控条件下,引线和基板间会发作电子共享或原子的相互分散,从而使两种金属间完成原子量级上的键合。

9、晶圆划片机

由于在制造硅晶圆的时候,往往是一整大片的晶圆,需求对它进行划片和处理,这时候晶圆划片机的价值就体现出了。之所以晶圆需求改换尺度,是为了制造更杂乱的集成电路。

10、晶圆减薄机

在硅晶圆制造中,对晶片的尺度精度、几何精度、外表洁净度以及外表微晶格结构提出很高要求,因此在几百道工艺流程中,不行选用较薄的晶片,只能选用必定厚度的晶片在工艺进程中传递、流片。晶圆减薄,是在制造集成电路中的晶圆体减小尺度,为了制造更杂乱的集成电路。在集成电路封装前,需求对晶片背面多余的基体资料去除必定的厚度,这一工艺需求的装备就是晶片减薄机。

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