令人惊叹的、不起眼的硅片

硅可能是地球上研究最多的单一元素。
在过去的七十年里，人们研究了更多的切割方法，
蚀刻它、研磨它、清洁它、结晶它、抛光它几乎比其他任何东西都要好。
工程师们做了惊人的事情，将这块丰富的闪亮岩石变成了世纪的
最具影响力的技术。晶圆行业需要对这些成就的热爱。
所以在这个视频中，我们将谈论几十年的研究和令人惊叹的工程
已用于制造当今尖端的半导体晶圆。
硅晶片是半导体的基本构件，
微机电系统或MEMS，
和太阳能电池。晶圆用作构建在其上的微电子器件的基板。
通常有两种类型的硅片：用于生产太阳能电池的硅片
和那些用于集成电路的。后者比前者需要更高的纯度等级。
十一个 9 而不是六个 9。99.9999 ...好吧，你明白了。
该行业以三种通用尺寸生产它们 - 150、200 和 300 毫米。关于尺寸
外卖比萨饼。晶圆越大，生产的难度就越大。
但是，如果你把它们做对了，并且产量很高，那么更大的晶圆就更经济了。
但稍后会详细介绍。晶圆制造始于单片机的形成，
完美的硅晶体或硅锭。完美的硅晶体开始
用最原始的沙子。让我们谈谈它。
今天的现代晶圆是由硅制成的，
地球上第二丰富的元素。硅本身是蓝灰色的，
与元素周期表中的锗和碳同族的脆性元素。
二氧化硅是沙子的主要成分。所以是的，几乎所有的硅片都是从沙子开始的。
但从最纯净的天然沙源中获取最经济的意义
省去消费者额外净化工作的麻烦。
像所有矿物和人类一样，石英受到其生长环境的影响。
当微量元素或矿物质在其生长过程中进入矿物质时，就会产生杂质。
例如，水或气泡。
高纯度石英的最大单一来源来自神秘的 Unimin
公司在美国，现称为 Covia。他们在北卡罗来纳州开采，
在云杉松镇附近。他们从伟晶岩矿床中加工出硅片砂。
该领域还有其他公司。最大的替代供应商是
来自挪威北部 Drag 的优质石英。他们的石英是由挪威微晶开采的。
目前世界上最纯净的威化砂纯度为 99.9992% - 微量
硼元素的数量为十亿分之 40。大多数威化砂不是这样的。和
即便如此，3 个 9 的纯度对于半导体来说仍然太脏太恶心了。
所以需要做更多的净化工作。你拿你的威化砂——通常很短
99.9992% - 并混入焦炭、煤或木屑等碳源。然后你
在埋入式电极电弧炉中将其加热至 1500 至 2000 摄氏度。
二氧化硅是二氧化硅。所以当你给它添加碳和能量时，
氧气离开硅并附着在碳上。
你最后得到的是一种叫做冶金级硅或MG-Si的东西，
纯度等级为 98-99%。
98% 如果你只考了一个期中考试，还算不错，但是差远了
缺少半导体级硅。所以你需要进一步净化它。
你拿粉末冶金硅，加入盐酸，然后把它扔进反应器
加热到300摄氏度。它们一起反应产生一组新的中间化学品。
然后我们可以将这些加工成半导体级多晶硅。
这些化学品可能会有所不同，但技术人员大多选择尝试三氯硅烷。
在制造三氯硅烷的整个过程中，
酸会刮掉铁和铝的痕迹。一旦你有了纯三氯硅烷，
它被汽化并与纯氢一起放入化学气相沉积反应器中。
在那里，气体分解，将硅沉积在非常细的硅棒上
称为“细棒”。经过大约 200 到 300 小时的缓慢生长
1100摄氏度是更大的半导体级多晶硅棒。
这种使用 CVD 将硅沉积到细金属棒上的方法被称为 Siemens
方法。该公司以西门子命名，该公司早在 1950 年代就首次申请了专利。
还有一个使用流化床反应器的竞争工艺，最近由于以下原因而流行起来
它的经济性更好。我提到它是因为“流化床”这个词让我想到了水床。
Siemens 方法可为您提供所需的纯度。但你也只能回来
在消耗大量电力的同时，您放入了 30% 的硅。这对半导体来说很好，
但对太阳能行业提出了更多挑战。
太阳能级多晶硅不必像半导体级多晶硅那样纯净。
此外，太阳能电池行业更具竞争力
并且比半导体行业对成本敏感。
太阳能必须与化石燃料和风能相比具有市场竞争力，
这意味着面板的成本必须尽可能低。
因此，以如此严格的工艺生产太阳能级多晶硅没有经济意义
关于纯度。因此，一些公司已经探索了加工冶金硅的方法——这
如果你记得只有 98-99% 纯 - 变成太阳能电池足够好的东西。
一种方法是将酸浸出到这种硅上。
它擅长去除一些杂质，但在去除其他杂质时却有所不足。
这里的科学还需要更多的工作。无论如何，让我们回到半导体硅。
制造半导体晶圆的下一步将是制造晶体。
像往常一样，晶体必须是纯净的，没有缺陷或位错。
该行业 95% 的晶体是使用称为 Czochralski 的工艺生长的
方法。我在此将其称为 CZ 方法，因为我不想发疯。
1916 年，在柏林工作的波兰冶金学家 Jan Czochralski，
发表了一种制造单金属晶体的方法。他偶然发现了这一点，是用他的笔。
让我为我的观众中的 Z 世代成员做一个入门。
那时，他们用这些叫做钢笔的东西来写字。你把笔蘸到这些东西里
称为墨水池，以用墨水覆盖笔尖。然后你在这些叫做纸的东西上写字。
纸就像一个不会耗尽电池的 iPad。
无论如何，简需要给他的笔重新装墨水，所以他开始蘸笔
进入墨水池。但他不小心把它浸入了熔锡的坩埚中。
他从坩埚里抽出钢笔，看到一根细线凝固了
锡挂在笔尖上。他很快验证了这个线程是一个单一的，
固体晶体 - 从边缘到边缘连续且不间断。
第一个晶体管是由锗制成的。科学家 GK Teal 和
JB Little 修改了原始的 CZ 方法来制造锗晶体。所以真的，
这应该称为 Teal 和 Little 方法。
当行业转向使用硅时，他们带来了 CZ 方法。
Teal 和 Buehler 于 1951 年开始生长 CZ 硅晶体。
它都是一个晶体，但它是分阶段生长的。每个阶段都需要不同的条件。
CZ 方法从石英坩埚中的多晶硅熔体池开始。这是由
在 1,420 摄氏度的温度下熔化固体块。你必须保持
熔体在非常高的温度下，以防止气泡的形成。
然后慢慢地将晶种引入熔体中。这个小东西
通常只有几毫米大，并且与您的最终水晶具有相同的形状。
你等到一小部分种子也开始融化。
然后你把种子从熔体中拉出来，同时扭转它。重复。
如果处理得当，熔体将在
种子与熔体之间的接触点下方。
通过控制提拉速度和加热温度，
你会长出剩下的水晶。包括它的圆锥形和圆柱形零件。
当您接近晶体的末端时，您会再次创建一个逐渐变细的末端锥体
形状。这是为了防止晶体产生缺陷
由于不同的温度和拉制技术中不可避免的不一致。
侧边栏。我在这里留下了很多关于用 CZ 方法生长晶体的内容。有书籍和
关于这一节的书。如果您有兴趣，我强烈建议您阅读它。
第一个硅晶体小而轻，足以
手工处理 - 长约 8 英寸，直径约 0.75 英寸。随着时间的推移，
它们已经变大了——到了需要特殊设备才能正确处理的地步。
1970 年代的 CZ 机器高约 14 英尺，重约 30-40 公斤。
多年来，它们的身高增加了一倍多，体重超过 400 公斤。
现代机器配备了隔热罩、摄像头和磁场
审查和保持质量控制。数十年的研究和磨练
使晶体尽可能不含杂质和位错的方法。
制成晶体后，您需要将它们切成晶片。
这不像切香肠。首先，你切断了水晶的冠锥和尾锥。
身体被锯成不同的部分，然后磨成锭。
晶体大多生长得比它们的特定尺寸大
所以额外的需要被磨平。然后放置凹口以告诉锯在哪里切割。
现在我们看到了。
有两种方法可以看到锭。第一种是金刚石内径锯。
这意味着什么？常规锯片安装在中心
并且它们的切削刃位于外径上。内径锯则相反。
他们一次切割一个晶圆，每次切割需要几分钟。在切割时，刀片可能
弯曲或有自己的缺陷。这些会导致需要稍后纠正的晶圆缺陷。
另一种方法是使用电线。用早期的线锯，
电线实际上并没有进行切割。它实际上做了什么
是将碳化硅砂粒和油的浆料输送到锭块上，然后进行切割。
最近，该行业已开始使用金刚石磨料线锯。钢丝包覆
钻石。它切割速度更快，同时对晶圆的整体结构完整性造成的损害更小。
线锯切割单个锭需要更长的时间。但与内径锯不同，
线锯可以一次完成所有切割。由于此，
对于大于 150 毫米的晶片，线锯是首选。产量更好。
再次注意，对产量的关注，
速度和产品质量。半导体行业不仅是技术奇迹，
这也是一个资本主义企业。很多方法在技术上都是可行的，
但它也必须在财务上比以前做过的任何事情都要好才能被采用。
理想情况下，一旦从锭中切出晶圆，它们就可以开始使用了。但在实践中，
有瑕疵。晶片可能具有翘曲的形状。它们的边缘是矩形的，
这使得它容易碎裂。并且它们的表面被其他物质污染。
因此，需要做更多的工作来确保您以最低的成本获得理想的晶圆。所以接下来
向上是研磨和蚀刻阶段。您去除任何表面硅破裂或
在保持所需平整度的同时受到线切割的创伤。
在此之后，您抛光晶片表面。您要确保晶圆已准备好
光学光刻。这种方法——称为化学机械
抛光 - 使用二氧化硅浆液和一堆酸来创造无损伤、光滑的表面。
最后，用更多的酸清洗晶圆并检查是否有任何问题。
一旦通过，就可以去台积电、英特尔或三星代工了。
半导体行业领先的硅片供应商都是
日本人。信越化学和 SUMCO 共同拥有约 60% 的市场份额
信越作为市场领导者。
他们的大部分工作都是在日本完成的。这部分是出于政治原因。但它
也反映了该国曾经繁荣的半导体产业的遗产。
整个 1980 年代，信越等各种综合化学公司
投入研发，为国内半导体公司开发最好的半导体材料。
在房地产泡沫破灭后，这些公司中的许多都消失了。但是信越和SUMCO
通过专注于这些技术难度很高的产品并将其出口到国外而幸存下来。
东京电子也有类似的故事。无耻的插头。去看那个视频。
人们一直担心日本国内硅片生产的集中度。
有时，这些植物会受到火灾或地震的影响。每次发生在
严重的是，供应链陷入停顿，人们在互联网上写社论。
那么为什么是硅呢？有没有其他选择？
第一个半导体晶片实际上是由锗制成的。
然而，工业家发现由于多种原因，使用该元素是不切实际的。
首先，锗晶圆存在耐热性问题。
他们在 90 摄氏度（194 华氏度）下停止工作。行业术语
就是要有一个“窄带隙”。另一方面，硅的带隙要宽得多。
其次，在富氧环境中加热时，
硅反应生成一层二氧化硅。这个绝缘层是化学的
稳定，不溶于水，有助于保护底层电子设备。
它也可以根据需要轻松蚀刻掉。因此，
它非常适用于光刻和湿法化学制造步骤。加，
硅也是完全无毒的，比锗便宜十倍。为什么不使用它？
目前，晶圆的行业标准是 300 毫米。得到
与向 EUV 的过渡相提并论，这需要十年来前所未有的行业协调。
下一步将迁移到 450 毫米晶圆。这个想法一直在踢
有一段时间了，但这个行业在它上面有点僵局。
英特尔、台积电和三星都赞成这种转变，但设备和晶圆供应商喜欢
Shin-Etsu、Lam Research 和 Applied Materials 不是。你可以理解他们的观点。
对于台积电来说，450 毫米晶圆的表面积是 300 毫米晶圆的两倍。
更大的晶圆有一些光刻和清洁注意事项，
但加工设备的成本仅高出 30%。所以对他们来说绝对是一个加分项。
但对于晶圆供应商而言，这意味着吞吐量会降低。这意味着在硅上花费更多。
这意味着较低的产量和重新装备全新的设备。这些努力必须是可行的。
没有技术界限——但有大量的经济和工程界限。
第一个 400 毫米晶体生长于 1995 年。最初的路线图有
第一批 450 毫米晶圆于 2014 年问世。但时间线不断推迟。
我看到人们和研究人员谈论了一些关于在未来远离硅的话题
半导体的产生。有很多关于石墨烯的文章。
但我认为硅在很长一段时间内都不会去任何地方。这是一个超过 10 亿美元的行业
以及价值 4000 亿美元的半导体世界的真正基础。
这个行业的竞争也非常激烈。想想整个过程中的所有时间
我在视频中提到了寻找生长、切割、锯切、抛光或加工的新方法的实验。
然而，我确实认为硅并不是未来的万能答案。
我已经提到过，当摩尔定律停滞不前时，
行业发展到使用其他方法找到更好的最终用户性能。
其中最著名的是片上系统。在哪里
您将针对非常特定的用例优化的不同组件放在一起。
我提到了片上系统的行业趋势
我的物理验证和半导体设计视频。
有一个用于硅的版本。部分芯片可以
替换或混合更适合某些功能的新材料。例如，
某些具有带隙要求的大功率、高压器件，甚至硅
无法实现。所以这些可能是用氮化镓制造的。
那些氮化镓零件可以与传统的硅相匹配
提供更好的最终用户性能，而无需进一步缩放晶体管。
晶圆技术当然必须再次适应这一新发展。
为看似简单的比萨饼表面添加更多的工程复杂性。
好了，今晚就到此为止。感谢收看。如果你喜欢这个视频，
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直到下一次，我会再见到你们。

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