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晶圆和芯片的关系-晶圆和芯片的定义与区别联系是什么-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-05-21 

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晶圆和芯片的关系

晶圆概述

了解晶圆和芯片的关系,下文介绍晶圆与芯片各自知识要领。


(一)什么是晶圆

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的集成电路产品。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%。


(二)晶圆基本原料

硅是由石英砂所精练出来的,晶圆便是硅元素加以纯化(99.999%),接着是将这些纯硅制成硅晶棒,成为制造集成电路的石英半导体的材料,经过照相制版,研磨,抛光,切片等程序,将多晶硅融解拉出单晶硅晶棒,然后切割成一片一片薄薄的晶圆。


晶圆和芯片的关系


(三)晶圆制造过程

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(CZ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 ℃,炉中的气体通常是惰性气体,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。


晶圆和芯片的关系


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”。


芯片概述

(一)什么是芯片

集成电路,缩写作 IC;或称微电路(microcircuit)、微芯片(microchip)、晶片/芯片(chip)在电子学中是一种把电路(主要包括半导体设备,也包括被动组件等)小型化的方式,并时常制造在半导体晶圆表面上。


(二)芯片制造过程

芯片制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个环节,其中晶片制作过程尤为的复杂。


首先是芯片设计,根据设计的需求,生成的“图样”,芯片的原料是晶圆。


晶圆的成分是硅,硅是由石英沙所精练出来的,晶圆便是硅元素加以纯化(99.999%),接着是将这些纯硅制成硅晶棒,成为制造集成电路的石英半导体的材料,将其切片就是芯片制作具体所需要的晶圆。晶圆越薄,生产的成本越低,但对工艺就要求的越高。


晶圆涂膜

晶圆涂膜能抵抗氧化以及耐温能力,其材料为光阻的一种。


晶圆光刻显影、蚀刻

光刻工艺的基本流程如下图所示。首先是在晶圆(或衬底)表面涂上一层光刻胶并烘干。烘干后的晶圆被传送到光刻机里面。光线透过一个掩模把掩模上的图形投影在晶圆表面的光刻胶上,实现曝光,激发光化学反应。对曝光后的晶圆进行第二次烘烤,即所谓的曝光后烘烤,后烘烤是的光化学反应更充分。最后,把显影液喷洒到晶圆表面的光刻胶上,对曝光图形显影。显影后,掩模上的图形就被存留在了光刻胶上。


涂胶、烘烤和显影都是在匀胶显影机中完成的,曝光是在光刻机中完成的。匀胶显影机和光刻机一般都是联机作业的,晶圆通过机械手在各单元和机器之间传送。整个曝光显影系统是封闭的,晶圆不直接暴露在周围环境中,以减少环境中有害成分对光刻胶和光化学反应的影响。


晶圆和芯片的关系


掺加杂质

将晶圆中植入离子,生成相应的P、N类半导体。


晶圆测试

经过上面的几道工艺之后,晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。


封装

将制造完成晶圆固定,绑定引脚,按照需求去制作成各种不同的封装形式,这就是同种芯片内核可以有不同的封装形式的原因。比如:DIP、QFP、PLCC、QFN等等。这里主要是由用户的应用习惯、应用环境、市场形式等外围因素来决定的。


测试、包装

经过上述工艺流程以后,芯片制作就已经全部完成了,这一步骤是将芯片进行测试、剔除不良品,以及包装。


晶圆和芯片的关系

芯片是由N多个半导体器件组成 半导体一般有 二极管 三极管 场效应管 小功率电阻 电感 电容等等。


就是在圆井中使用技术手段 改变 原子核的自由电子浓度改变原子多子(电子)或少子(空穴)是原子核产生正电荷或负电荷的物理特性 构成各种半导体。


硅 锗 是常用的半导体材料 他们的特性及材质是容易大量并且成本低廉使用于上述技术的材料。


一个硅片中就是大量的半导体器件组成 当然功能就是按需要将半导体组成电路而存在于硅片内 封装后就是IC了 集成电路。


晶圆和芯片的关系-一个芯片有多少晶圆

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。


晶圆和芯片的关系


国际上Fab厂通用的计算公式:


晶圆和芯片的关系


一块完整的wafer

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。


die和wafer的关系

品质合格的die切割下去后,原来的晶圆就成了下图的样子,就是挑剩下的Downgrade Flash Wafer。


筛选后的wafer

这些残余的die,其实是品质不合格的晶圆。被抠走的部分,也就是黑色的部分,是合格的die,会被原厂封装制作为成品NAND颗粒,而不合格的部分,也就是图中留下的部分则当做废品处理掉。


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