【一文解析】為什麼積體電路產業中使用的「矽」,純度要達到 99.999999999%?

為什麼積體電路產業中使用的矽,純度要達到 99.999999999%?

【我們為什麼挑選這本書】什麼是晶片?為什麼晶片產業如此重要?台灣、美國、中國、日本、韓國,又如何在這場高科技戰中布局?

一本書看懂晶片產業:給未來科技人的入門指南》作者謝志峰為中國大陸知名高科技產業專家,親自參與創建晶圓廠,並深入研究中國高科技產業。眼見中美貿易戰牽動美、中、台、日、韓的高科技布局,特別為「非高科技人」以及想要「投身高科技業」的新秀,寫了這本入門指南。下文,作者將說明,為什麼積體電路產業中使用的矽,純度要達到 99.999999999%?(責任編輯:施怡婷)

在整個積體電路的產業鏈中,石英砂是最基礎的原料,從砂到晶片的「逆襲」,不僅需要經歷極端的熔煉、極致的提純,還需要經歷極為複雜的「精雕細刻」,構成了極高的技術要求、人才要求和投資成本要求。點砂成晶片,是沒有捷徑的精益求精。

積體電路產業中使用的矽,純度要達到九九.九九九九九九九九九%

半導體材料中使用最多的元素是矽,矽在地球表面的元素中存量(近二十八%)僅次於氧。石英砂是石英石經破碎加工而成的石英顆粒,主要成分為二氧化矽,是高純度金屬矽生產的重要基礎材料。儘管來源豐富,但是 積體電路產業中使用的矽純度要求達到九九.九九九九九九九九九%,因而需要熔煉和提純

通常,矽提純工藝中將二氧化矽與焦煤在一千六百至一千八百℃的高溫環境中還原成純度為九十八%的冶金級單質矽,而後利用氯化氫提純出九十九.九九%的多晶片矽,進而通過進一步提純,形成形態一致的單晶矽(矽原子在三維空間中呈現規則有序排列,形成每個晶胞含有八個矽原子的「金剛石結構」,晶片體結構十分穩定)。

在超純矽領域,一九二六年成立的日本信越化學工業株式會社(Shin-EtsuChemical)是全球領先的企業 。在積體電路發展前,信越化學便開始生產有機金屬矽,而積體電路發展時代更是全力優化工藝、拓展市場。在信越的多個事業部中,半導體矽材料事業部是其核心的業務部門之一,在全球最早研製成功了十二吋晶圓,並實現了絕緣襯底上的矽晶圓的產品化,其單晶矽已經可以達到純度九九.九九九九九九九九九%的生產水準。

三菱住友株式會社(SiliconUnitedManufacturingCorporation,簡稱 SUMCO)成立於一九三七年,一九二年合併了九州電子金屬公司,一九八年又合併了住友 SITIX 集團並更名為住友金屬工業公司。一九年,住友金屬公司、三菱材料和三菱矽材料公司成立聯合矽製造公司進軍十二吋晶圓業務,二○○二年住友金屬工業的矽製造部門、聯合矽製造公司以及三菱矽材料公司合併成立住友三菱矽公司,並於二○○五年更名為三菱住友株式會社。

三菱住友的研發實力雄厚,至二○一七年為僅次於信越化學的第二大半導體矽材料供應商 。滿惰性氣體的石英坩堝中,通過晶體生長技術製取單晶矽:在液體狀態的矽中加入籽晶,以其作為晶體生長中心,通過適當的溫度控制將晶體慢向上提升,在逐漸增大拉速的同時以一定速度繞提升軸旋轉,從而將矽錠控制在所需直徑內。完成後,提升單晶矽爐溫度,矽錠就會自動形成錐形尾部。製備好的晶圓尺寸越大,效益越高。

具備極高的精度和最佳匹配的技術參數

單晶矽錠製備完成後,切削掉頭部和尾部,修整至目標直徑,利用金剛石鋸把矽錠切割成厚度均勻、不超過一毫米厚度的晶圓片。切割後的晶圓片,需經仔細研磨、鏡面拋光等高級製造工藝,才能使其成為表面極度平滑、極度清潔的矽晶圓片。

在此過程中,會用到特殊的化學液體清洗晶圓表面,最後進行拋光研磨處理、熱處理形成「無缺陷層」的晶圓片表面,供後續生產用。

德國的世創電子材料(SiltronicAG)也是重要的超純矽晶圓供應商,總部位於慕尼黑 ,二○○四年在全球首家生產十二吋晶圓片。二○一四年,世創電子以七十八%的持股、與三星成立了合資公司,在亞洲地區新建八吋和十二吋矽片廠。

世創電子對於矽晶圓的平整度和表面品質方面有著極高的標準,同時還可根據客戶需求在生產中摻雜硼、磷、砷和銻等元素。此外,世創電追求,生產設備和加工環境的汙染物控制到幾近於零。此外,外圓磨削、線切割、邊緣切割、雷射打標、精研、清潔和蝕刻、拋光、外延等過程所需利用的設備,都要求有極高的精度和最佳匹配的技術參數。

(本文書摘內容出自 《一本書看懂晶片產業:給未來科技人的入門指南》,由 商業周刊 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題。首圖來源: 台積電 。)

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