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1、 制造芯片的硅晶体的原理和过程方法 王晓艳 基本概念1 什么是硅晶体2 什么是芯片二制造芯片的原理和过程方法1 原理2 过程和方法三芯片的发展 一基本概念1 什么是硅晶体硅在元素周期表中是第 主族元素 它的原子最外层有四个电子 所以硅在化合物中呈四价 半导体硅主要有多晶硅和单晶硅 在单晶硅中所有的硅原子按一定规律整齐排列 结构完全是金刚石型的 每个原子和邻近的四个原子以共价键结合 组成一个正四面体 每个硅原子可以看成是四面体 的中心 常压下 金刚石构型的硅在低于1414 时是稳定的 所以通常用的硅都是单晶硅 用扫描隧道显向镜观察到的硅晶体表面的原子排列 Si m 7结构 硅的价电子分布是3S
2、3P 一个3S轨道上的电子激发到3P轨道上形成新的SP 杂化轨道 硅原子的杂化轨道决定了硅晶体必为金刚石结构 四个最邻近的原子构成四面体 硅晶体中所有的价电子束缚在共价键上没有自由移动的电子 不能导电 只有当电子激发脱离共价键 成了自由移动的电子才能导电激发脱离共共价键的电子越多导电性越强 这也就是半导体性 2什么是芯片芯片 准确地说就是硅片 也叫集成电路 是微电子技术的主要产品 所谓微电子是相对强电弱电等概念而言的 指他处理的电子信号极其微小 它是现代信息技术的基础 计算机芯片是一种用硅材料制成的薄片 大小仅有手指甲的一半 一个芯片是有几百个微电路连在一起的 体积很小 在芯片上布满了产生脉冲
3、电流的微电路 计算机内的电路很小 使用的电流也很小所以也称芯片为微电子器件 微型计算机中的主要芯片有微处理芯片 接口芯片 存储器芯片等 制造芯片的硅晶体的原理和过程方法1原理硅片的平整度 表面颗粒度 委屈电阻率均匀性控制 等方面对芯片的功能和成品率都有很大影响 如果硅片的平整度不够 由于光的衍射作用 线条的精确度无法保证而且硅片中央与边沿的光刻精度一致性会变差 硅片表面硅片表面吸附的微小杂质颗粒 我们无法用肉眼发现 必须借助电子显微镜在暗场下观察 暗场下的亮点象天上的星星一样 它是芯片的天敌 可以导致器件失效 严重影响器件的可靠性 微小杂质颗粒的来源主要是化学试剂 气体及环境 硅晶体的提纯正是
4、由于低纯度的硅对芯片的功能和成品率有如此重大的影响 所以工业生产就要求高纯硅 以满足器件质量的需求 在半导体材料的提纯工艺流程中 一般说来 化学提纯在先 物理提纯在后 原因是 一方面化学提纯可以从低纯度的原料开始 而物理提纯必须使用具有较高纯度的原料 另一方面是化学提纯难免引入化学试剂的污染 而物理提纯则没有这些污染 工业硅 一般指95 99 纯度的硅 又称粗硅 或称结晶硅 这种硅是石英砂在电炉中用碳还原方法冶炼而成的 其反应式为 工业硅中所含杂质主要有Fe Al C B P Cu等 其中Fe含量最多 工业硅的纯化最常用的方法是酸浸 酸洗 由石英砂 SiO2 制备多晶硅的流程 在粗四氯化硅中含
5、有杂质如硼 磷 钛 铁 铜等的氯物 提纯的目的就是最大限度的出去这些杂质 常用精馏提纯 在粗四氯化硅中含有杂质如硼 磷 钛 铁 铜等的氯物 提纯的目的就是最大限度的出去这些杂质 常用精馏提纯 在1100 1200C 下还原SiHCl3沉积多晶硅 也是目前多晶硅材料生产的主要方法 因为氢气易于净化 而且在硅中的溶解度极低 反应方程式为 2芯片的制造要在大约5平方毫米的薄硅片上制作数百个电路 需要非常精密的生产技术 芯片上的元件是用微米测量的 定位时的精密度为1 2毫米 芯片是在超净化的工厂内 使用由具有 专门技术的计算机控制的机器制造的 在制造过程中需要用高倍显微镜对芯片进行观察 制造芯片时 将
6、元件和电路连线置于硅片的表面和内部 形成9 10个不同的层次 在真空中生成圆柱形的纯硅晶体 然后将其切成0 5毫米厚的圆片 将圆片的表面磨得极其光滑 利用存储在电子计算机存储器里的电路设计程序 为芯片的各层制造一组 光掩模 这种掩模是正方形的玻璃 用照相处理的办法或电子流平板印刷技术将每一层的电路图形印在每一块玻璃掩模式上 因而玻璃仅有部分透光 当上述圆片被彻底清洗干净后 再放入灼热的氧化炉内 使其表面生成二氧化硅薄绝缘层 然后再涂上一层软的易感光的塑料 称为光刻胶或光致 抗蚀剂 将掩模放在圆片的上方 使紫外线照射在圆片上 使没有掩模保护的光刻胶变硬 用酸腐蚀掉没有曝光部分的光刻胶及其下面的二
7、氧化硅薄层 裸露的硅区部分再做进一步处理 用离子植入法将掺杂物掺入硅中构成元件的n型和p型部分 在硅片上形成元件 此时硅片上部是铝连接层 两层连接层之间被二氧化硅绝缘层隔开 铝连接层由蒸发工艺生成 有掩模确定它的走线 当整个制造过程完成以后 使用电探针对每一个芯片进行检验 将不合格的产品淘汰 其它产品进行封装后在不同温度及环境条件下的检验 最终成为出厂的芯片 三芯片的发展1950 1960年的空中竞争非常激烈 美国为了在飞船有限的空间内做更多的事要求设备的体积小而再小 以便在很小的空间内能装更多的电子设备 从而发展芯片 许多生产者很快利用芯片体积小 消耗电流少的优点 进一步生产了微型计算器和微
8、型计算机 自从第一台电子管计算机发明后 1974年 三个美国科学家巴丁 肖克莱和布拉坦发明了晶体管 最早的晶体管是用锗半导体制成的 后来才使用 硅半导体晶体管 大约1953年晶体管才开始用于计算机 1958年在美国得克萨斯仪器公司工作的美国人杰克吉尔比提出将两个晶体管放在一片芯片上的设想 从而发明了第一个集成电路 随着技术进步 集成电路规模越来越大 功能越来越强 现在的计算机要靠硅芯片 硅芯片所记录的信息是被描述上去的 硅芯片愈小 精确地记录信息就愈难 但是 晶体芯片能够以容纳电荷的形式容纳信息 并且能够更加有效地编排信息 基克斯说 利用这种分子技术所生产的芯片体积小得 像尘粒一样 他还说 你
9、一走进房间 它就可以把电视调到你最喜欢的频道上 也就是说 免得你来来回回操纵鼠标而患腕关节不适之综合症状 把你的手指变成了鼠标 在半导体制造业发展的几十年中 硅原料本身的自然属性一直没有对芯片运行速度的等方面对行骗的功能和成品率都有很大影响 提高产生任何阻碍作用 但是 随着芯片制造技术的不断改进 硅原料自身的一些不足之处逐渐成为了芯片运行速度进一步提高的绊脚石 为此涌现出一系列的制程技术用来改进这种状况 包括铜互连 copperinterconnects 技术 低介电薄膜 low kdielectrics 技术和硅晶绝缘体 silicononinsulator SOI 技术等等 其中铜互连技术
10、用于提高速度 而另外两项技术主要用于控制电能泄漏和减少电能需求 由于更有效的利用了电能 从而降低了芯片的发热量 这也同样有助于运行速度的提升 尽管有了这些技术 但是许多年来 制作芯片的硅衬底本身在本质特性上并未发生任何变化 目前在一些实验中采用了单一同位素硅 100 的硅28 没有掺杂任何硅29和硅30的成分 该材料号称 最纯洁的硅元 做原料 大大改善了芯片的发热和能耗问题 尽管这种纯同位素材料与现在的混和同位素材料相比能够带来高达60 的性能提升 但是其高昂的制造成本也使得该材料被大规模使用的可能性变得微乎其微 几十年来 全球电子业制造半导体芯片都是采用传统的硅晶体材料 硅芯片的概念在人们头
11、脑中已经根深蒂固 但实际上 采用硅晶体制造芯片工艺十分复杂 制造成本也非常昂贵 因此 半导体芯片的售价多年来一直居高不下 为了解决这一问题 科学家们千方百计另辟蹊径 寻找硅晶体的替代物来制造电子芯片 塑料芯片的出现令电子业界为之一振 最近 科学家已经成功地利用成本低廉的塑料来取代用于制造集成电路芯片的硅晶体 这是一项历史性的突破 而目前在大规模量产中真正可行的改进方案就是应变硅技术 其基本原理是 如果能够迫使硅原子的间距加大 就可以 减小电子通行所受到的阻碍 也就相当于减小了电阻 这样一来发热量和能耗都会降低 而运行速度则得以提升 而实现该技术的关键是能否找到一种成本相对较低 可大规模应用的方法来加大硅原子距 右图是硅与硅锗两种材料的晶格对比 可以看到 通过向硅原料中掺入锗的方式可以扩大原子距 这就是IBM开发的锗原料 这种材料又称作 应变硅 strained silicon 右图即是纯硅在发生原子间力应变后晶体结构线性扩张的示意图而作为晶状硅雏形的非晶硅 虽然价格也比较低廉 但由于晶状硅芯片与非晶状硅芯片都很硬脆 易碎 比重大 都不是可供消费电子产品选择的佳品 因此取代非晶硅是塑料芯片短期内的目标 手机芯片 利用硅藻研制的大脑细胞和三维计算机 计算机芯片融合
