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中国晶圆制造线汇总及行业知识普及(含12寸、8寸、6寸、4寸线)

Date: 2018-06-05
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晶圆定义

晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片,由于其形状为圆形,故称为晶圆;在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构,而成为有特定电性功能之IC产品。晶圆的原始材料是硅,而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由电弧炉提炼,盐酸氯化,并经蒸馏后,制成了高纯度的多晶硅,其纯度高达99.999999999%。

制造过程
晶圆是制造半导体芯片的基本材料,半导体集成电路最主要的原料是硅,因此对应的就是硅晶圆。
硅在自然界中以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在于岩石、砂砾中,硅晶圆的制造可以归纳为三个基本步骤:硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。
首先是硅提纯,将沙石原料放入一个温度约为2000 ℃,并且有碳源存在的电弧熔炉中,在高温下,碳和沙石中的二氧化硅进行化学反应(碳与氧结合,剩下硅),得到纯度约为98%的纯硅,又称作冶金级硅,这对微电子器件来说不够纯,因为半导体材料的电学特性对杂质的浓度非常敏感,因此对冶金级硅进行进一步提纯:将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢进行氯化反应,生成液态的硅烷,然后通过蒸馏和化学还原工艺,得到了高纯度的多晶硅,其纯度高达99.999999999%,成为电子级硅。
接下来是单晶硅生长,最常用的方法叫直拉法。如下图所示,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1400 ℃,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要的化学反应。为了形成单晶硅,还需要控制晶体的方向:坩埚带着多晶硅熔化物在旋转,把一颗籽晶浸入其中,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,按籽晶晶格排列的方向不断地生长上去。因此所生长的晶体的方向性是由籽晶所决定的,在其被拉出和冷却后就生长成了与籽晶内部晶格方向相同的单晶硅棒。用直拉法生长后,单晶棒将按适当的尺寸进行切割,然后进行研磨,将凹凸的切痕磨掉,再用化学机械抛光工艺使其至少一面光滑如镜,晶圆片制造就完成了。


晶圆制造
单晶硅棒的直径是由籽晶拉出的速度和旋转速度决定的,一般来说,上拉速率越慢,生长的单晶硅棒直径越大。而切出的晶圆片的厚度与直径有关,虽然半导体器件的制备只在晶圆的顶部几微米的范围内完成,但是晶圆的厚度一般要达到1 mm,才能保证足够的机械应力支撑,因此晶圆的厚度会随直径的增长而增长。
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,以形成圆柱状的单晶硅晶棒,由于硅晶棒是由一颗晶面取向确定的籽晶在熔融态的硅原料中逐渐生成,此过程称为“长晶”。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基本原料——硅晶圆片,这就是“晶圆”。

一片晶圆到底可以切割出多少的晶片数目?这个要根据你的die的大小和wafer的大小以及良率来决定的。目前业界所谓的6寸,12寸还是18寸晶圆其实就是晶圆直径的简称,只不过这个吋是估算值。实际上的晶圆直径是分为150mm,300mm以及450mm这三种,而12吋约等于305mm,为了称呼方便所以称之为12吋晶圆。

名词解释:wafer 即为图片所示的晶圆,由纯硅(Si)构成。一般分为6英寸、8英寸、12英寸规格不等,晶片就是基于这个wafer上生产出来的。Wafer上的一个小块,就是一个晶片晶圆体,学名die,封装后就成为一个颗粒。一片载有Nand Flash晶圆的wafer,wafer首先经过切割,然后测试,将完好的、稳定的、足容量的die取下,封装形成日常所见的Nand Flash芯片。那么,在wafer上剩余的,要不就是不稳定,要不就是部分损坏所以不足容量,要不就是完全损坏。原厂考虑到质量保证,会将这种die宣布死亡,严格定义为废品全部报废处理。

一颗集成电路芯片的生命历程就是点沙成金的过程:芯片公司设计芯片——芯片代工厂生产芯片——封测厂进行封装测试——整机商采购芯片用于整机生产。


芯片供应商一般分为两大类:一类叫IDM,通俗理解就是集芯片设计、制造、封装和测试等多个产业链环节于一身的企业。有些甚至有自己的下游整机环节,如Intel、三星、IBM就是典型的IDM企业。
另一类叫Fabless,就是没有芯片加工厂的芯片供应商,Fabless自己设计开发和推广销售芯片,与生产相关的业务外包给专业生产制造厂商,如高通、博通、联发科、展讯等等。
与Fabless相对应的是Foundry(晶圆代工厂)和封测厂,主要承接Fabless的生产和封装测试任务,典型的Foundry(晶圆代工厂)如台积电、格罗方德、中芯国际、台联电等,封测厂有日月光,江苏长电等。

中国晶圆制造线汇总


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