第二百三十五章 晶圆硅片
陈地忠将单晶硅棒的生产过程反复实验了几十次，不断调整和优化工艺流程，做一次实验消耗的金币还不到一万枚，大概是消耗的元素材料相对便宜的缘故。 单晶硅棒有了，将单晶硅棒切成薄片就是制作芯片的原材料：生产晶圆的硅片。 陈地忠手中的专利技术材料是由国家有色金属研究院半导体材料研究中心提供的，技术转让费800万元，价格是东华提出的，没有讨价还价的过程，对方直接把厚重的技术资料就给了出来。尽管资料里这些技术水平在行业内并不高大上，但已经弥足珍贵。 如果东华向外企申请技术交易，估计得花800万美元。 国家半导体材料研究中心在去年8月成功地拉制出了华夏第一根直径12英寸，长度40厘米，晶体重量81公斤的直拉单晶硅。 在此之前，华夏的相关机构只能做8英寸的硅棒。 理论上，硅棒的直径越大越好。 因为12英寸晶圆面积是8英寸晶圆面积的2.25倍，这么算的话，每片12英寸晶圆就能比每片8英寸晶圆多制造1倍以上的芯片，每片芯片的成本就会大幅度降低，给生产厂商带来更大的竞争力。 而晶圆的尺寸又取决于硅棒的粗细，想做8英寸的晶圆就得把硅棒拉得细一点，想要12英寸的晶圆就得拉粗一点。 硅棒直径和最大提拉速度之间的关系可以利用溶液、硅棒与坩埚热量三者之间的热平衡进行估算。 陈地忠用系统研发平台并不需要时间等待，输入这些步骤条件后，系统平台会给出实验结果和每一个步骤、每一个环节的详细数据资料。 实验者只需要调整其中的步骤环节，比如温度、时间、加入的材料、控制的速度、力度等，就可以按下回车键，接着就可以查看这轮实验的结果了。 用系统模拟实验就是这么淦！ 这就是系统研发平台的变态之处，只要付出相应的金币，就能直接取得实验数据。 以12英寸的晶圆尺寸为例，陈地忠已经能够拉出一米五长的硅棒，数据资料显示这一过程需要的时间是8小时。 实际上，虽然硅棒越粗、单个晶圆面积越大，造出的芯片越多，分摊下来的成本就越低，但同时工艺难度和设备费用也会直线上升。 在这个时代，一座8英寸的晶圆厂要花5到8亿美元，而12英寸的厂子则需要10到20亿美元。 下一步切片，切片本身并非如切西瓜一样，它的工艺更加复杂，从晶棒到晶圆要经历滚磨、倒角、精研、背面粗糙、化学机械抛光等等一些列操作。 这些步骤的技术门槛逐渐升高，对精细加工的要求逐渐变态，也正是从这一阶段开始华夏的产能占比和自主化程度下降，芯片的国产之路也将迎来首个被卡脖子的环节。 前边说在一年前国家半导体材料研究中心就做出了硅棒，其实在那之后他们已经在研究切12寸的晶圆硅片，可是搞了一年了，也没有取得值得拿出来的成果。 根据东华信息部搜集到的消息，目前晶圆硅片市场大体形式如下： 日曼国赛蒙斯旗下的英飞凌，正在与摩托罗拉合作，在本国建立12英寸的实验厂。 山姆国有4家骨干晶圆企业，其中摩托罗拉除了与英飞凌合作外，还准备在本国的弗吉尼亚建立一个12英寸研发厂和正式生产厂；英特尔计划筹建3个12英寸生产厂；德州仪器准备在已经建成的一所厂房内安装12英寸的设备；IBM则在等待观望。 留虬地区的UMC正在筹建两个12英寸晶圆厂；台积电准备在正在建的6号厂中建设12英寸实验生产线。 棒子国的三星电子和现代对向12英寸转型不太积极，认为投资太大，其实就是兜里没钱。 太阳国的日立公司正在与UMC合作；NEC也准备建12英寸的工厂，一个与华夏企业合作，另两个准备建在本国。 20年后，蓝星主要硅片厂就只剩5家：分别是太阳国的信越化工和盛高集团，留虬地区的环球晶圆，日曼国世创以及棒子国的SK集团，他们加起来控制了全球90%的硅片供应。 哦，上面说的硅片是芯片级硅片，一直到20年后，华夏大部分厂家只能生产光伏级单晶硅片。 ...... 现在，陈地忠做到单晶硅棒这一步其实已经达到了目标，已经能够如刷钢坯一样刷硅棒了。 刷硅棒，正如之前所说只需要花费开启熔炉的电费钱。 不过陈立东不满足于卖大棒。 根据情报，一根棒子卖3万美元，做成硅片后每片卖150美元，留虬那家厂子的硅棒一根能切850片，能卖12.7万美元，这是血淋淋的财富。 从硅片、到晶圆、最后到芯片，市场份额越来越大。硅片、晶圆、芯片每一级都是下一级的入场券，华夏这样一个制造业强国，如果受制于人就非常被动了。 所以，陈立东还想进一步摸索切片工艺。 那份研究中心给的资料，虽然没有做硅片的实验资料，但也提出了加工晶圆硅片的方法路径，缺少的只是机械设备和实际操作的经验。 机械设备对系统之主来说不是问题，只要在这个世界出现了的，在被系统更新信息收集到的，就能在设备兑换平台中找到。 所以，陈地忠按照老板的要求，开始了加工晶圆硅片的实验。 将硅棒切片做成硅片，大体有10个步骤： 首先拉出来的硅棒会被截去硅头、硅尾，切下来的硅头、硅尾会被削成晶种，去拉新的硅棒，实现硅棒生产的无限套娃。 别笑，笑出声的小伙伴请蹲地上绕三圈。 接下来用四探针法测量棒身的电阻率，用来检查轴向的杂质浓度是否异常。 四探针就是四根金属探针，想了解的小伙伴自己去某度查。 检测完成后，陈地忠将硅棒裁成30厘米长度的硅段，进入下第2道工序：滚磨。 顾名思义，滚磨就是将硅段固定在机器上，让其滚动，用侧面的金刚石砂轮对棒身进行打磨。 由于直拉法无法精确地控制晶体生长获得一个完美的圆柱体，所以得先拉出一个粗一点的硅棒，再通过滚磨得到想要的目标尺寸。 硅棒与金刚石砂轮的剧烈摩擦会大量发热，需要持续加水降温。 滚磨完成后，要在硅段侧面再磨出一个平面或者一道沟槽，这就是以后硅片上的定位边或定位槽，光刻机需要通过它们来对硅片进行最开始的定位和校准。 在业界，定位边还有一个小作用，就是标注硅片的类型和晶向。 接下来是第3步，把硅段切片。 研究中心推荐了某种型号的内圆切割机。这种切割机是一种带有环形刀片的铡刀，就像切火腿一样切割硅棒。 切割机的优点是切割稳定、切面平整；缺点是效率低、一次只能切一片；而且由于刃口较厚，切割时损耗的硅料较多，不适合处理相对更薄的大尺寸硅片。 所以，陈立东提出的切片方式是使用金刚线的多线切割机，也就是用上面固定有金刚石颗粒的钢丝线，同时对硅段进行多段切割。 这种线切法虽然不如传统刀片稳定，后续硅片打磨的时间也更长，但胜在切割效率高、损耗低。 追读的书友们一定知道，东华早就研究出了纳米级的金刚石，开发出了系列金刚石切割工具。 现在，陈地忠就在实验金刚石钢丝线切割硅棒的效果。 第4步，打磨硅片。 切下来的硅片，再进行一遍机械打磨，让表面更加平整，同时让整体变薄，通过磨片将厚度减到700微米左右。 进入第5步，磨边处理。 主要是通过倒角机把硅片边缘的直角边磨成圆弧形。 倒角机是一种常见的精密研磨设备，模具制造、五金加工中经常用到，有手提式、自走式、台床式的。 而加工硅片的倒角机一般称作晶圆倒角机，更加精密，价格更高，但其原理是一样的。 给硅片磨边，是因为高纯度硅是一种脆性很高的材料，磨边处理可以降低边缘处发生崩裂的风险。 圆弧状的边角在后续的芯片制造工艺中有两个好处，一是在光刻时光刻胶是通过旋转的方式涂抹在硅片表面上的，如果边缘是直角边光刻胶容易因为离心力在边缘处累积，造成厚度不均，从而影响光刻；二是在做外延生长时沉积物也会优先堆积在直角边，影响沉积效果，做成圆弧状的边，就可以消除边缘沉积的现象。 磨片和和倒角完成后，进行第6步：硅片精磨。 使用的机械是硅片研磨机，陈地忠将硅片放到机器的研磨盘上，研磨盘逆时钟转动，修正轮带动工件自转，机械开始靠重力加压，工件与研磨盘作相对运转磨擦，来达到研磨抛光目的。 经过这次精磨，大约去除了10微米左右的厚度，然后放入溶剂中进行第7步：化学刻蚀。 资料推荐使用氢硝酸和氢氟酸，腐蚀掉表面约20到50微米左右的厚度，这样做的目的是去除之前打磨过程中硅片积累的机械损伤，以及混入硅片表层的磨料。 到这里，经过一系列的打磨和刻蚀之后，硅片表面已经很光滑了，但用来制造芯片还不够光滑，因为在之后需要光刻机把图形投影到硅片上。 光刻投影可以类比投影看电影，如果投影幕布不够平整，有起伏的倾角或者局部的凹凸，那投射上去的影像就会变形失真，影响观看体验。 在光刻时硅片就相当于幕布，光刻的图像尺寸和精度都是纳米级的，所以要求硅片表面是一个完美的平面，一点点起伏参差或者局部凹凸都会影响光刻效果。 根据资料中的建议，12寸硅片的整体平整度要小于60纳米，这相当于在电影院挂一块IMAX幕布，幕布起伏比一根头发丝还要细，为了达到这种极致的平坦，需要对硅片进行第8步：化学机械抛光，简称CMP。 这一步是结合了物理和化学的理综型抛光手段，具体做法是将硅片装在旋转的抛光仪器上，下方表面薄层会先被研磨液化学氧化，再被抛光垫物理打磨，这一步硅片厚度会再打薄5微米左右，直到被抛光成完美的镜面，这样就得到了一枚抛光片。 这一步最复杂，陈地忠虽然找到了化学机械抛光机，但是还要调配适合的抛光液，抛光液中包括研磨料、PH值调配剂、氧化剂、分散剂和表面活性剂，这就把陈地忠难住了，只能草草了事。 第9步：湿法清洗。 用去离子水和各种化学溶剂进行清洗，去掉制程中黏附在硅片表面的各种尘埃和杂质，这些颗粒物会影响芯片的制造流程，造成器件的短路或者开路。 除了要严格地控制污染物密度之外，其颗粒大小往往不能超过特征尺寸的一半。 所以在先进制程中，能允许的单个颗粒物直径最多只有几纳米。 这个要比无菌手术严格多了，要知道一粒流感病毒的直径就能有100纳米，细菌就更大了，所以很多硅片厂或晶圆厂里的打工仔得了感冒必须休假，否则打一个喷嚏都可能污染芯片。 这一步对陈地忠这个化学盲来说，也只能一带而过。 第10步，检测密封。 在通过上述加工工艺，提高了硅片的平整度和光洁度之外，硅片还要保证翘曲度、氧含量、金属残余量等等指标，所以要经过电镜检查、光学散射等各种检测，达标后一张平平无奇的硅片才终于诞生了！ 最后，做好的硅片被放进充满氮气的密封盒子里送往晶圆厂开始下一段旅程。 以上就是用单晶硅棒加工晶圆级硅片的过程。 我讲清楚了吗？滨海观潮的重生之工业狂潮