超大规模集成电路及其生产工艺流程

现今世界上超大规模集成电路厂（台湾称之为晶圆厂，为叙述简便，本文以下也采用这种称谓）主要集中分布于美国、日本、西欧、新加坡及台湾等少数发达国家和地区，其中台湾地区占有举足轻重的地位。但由于近年来台湾地区历经地震、金融危机、政府更迭等一系列事件影响，使得本来就存在资源匮乏、市场狭小、人心浮动的台湾岛更加动荡不安，于是乎就引发了一场晶圆厂外迁的风潮。而具有幅员辽阔、资源充足、巨大潜在市场、充沛的人力资源供给等各方面优势的祖国大陆当然顺理成章地成为了其首选的迁往地。所以全国范围内的这股兴建晶圆厂的热潮就是在这种背景下产生的。

晶圆厂所生产的产品实际上包括两大部分：晶圆切片（也简称为晶圆）和超大规模集成电路芯片（可简称为芯片）。前者只是一片像镜子一样的光滑圆形薄片，从严格的意义上来讲，并没有什么直接实际应用价值，只不过是供其后芯片生产工序深加工的原材料。而后者才是直接应用在计算机、电子、通讯等许多行业上的最终产品，它可以包括CPU、内存单元和其它各种专业应用芯片。

本文有关超大规模集成电路的一些基本概念、主要生产工艺流程及其产业特点等做一个简要介绍。

一、晶圆

所谓晶圆实际上就是我国以往习惯上所称的单晶硅，记得在六、七十年代我国就已研制出了单晶硅，并被列为当年的十大新闻之一。可见当时就已经意识到其重要性。但由于其后续的集成电路制造工序繁多（从原料开始融炼到最终产品包装大约需400多道工序）、工艺复杂且技术难度非常高，以后多年来我国一直未能完全掌握其一系列关键技术。所以至今仅能很小规模地生产其部分产品，不能形成规模经济生产，在质量和数量上与一些已形成完整晶圆制造业的发达国家和地区相比存在着巨大的差距。

二、晶圆的生产工艺流程

从大的方面来讲，晶圆生产包括晶棒制造和晶片制造两大步骤，它又可细分为以下几道主要工序（其中晶棒制造只包括下面的第一道工序，其余的全部属晶片制造，所以有时又统称它们为晶柱切片后处理工序）：

晶棒成长-- 晶棒裁切与检测-- 外径研磨-- 切片-- 圆边-- 表层研磨-- 蚀刻-- 去疵-- 抛光-- 清洗-- 检验-- 包装

1、晶棒成长工序：它又可细分为：

1）、融化（Melt Down）：将块状的高纯度复晶硅置于石英坩锅内，加热到其熔点1420°C以上，使其完全融化。
2）、颈部成长（Neck Growth）：待硅融浆的温度稳定之后，将〈1.0.0〉方向的晶种慢慢插入其中，接着将晶种慢慢往上提升，使其直径缩小到一定尺寸（一般约6mm左右），维持此直径并拉长100-200mm，以消除晶种内的晶粒排列取向差异。
3）、晶冠成长（Crown Growth）：颈部成长完成后，慢慢降低提升速度和温度，使颈部直径逐渐加大到所需尺寸（如5、6、8、12吋等）。
4）、晶体成长（Body Growth）：不断调整提升速度和融炼温度，维持固定的晶棒直径，只到晶棒长度达到预定值。
5）、尾部成长（Tail Growth）：当晶棒长度达到预定值后再逐渐加快提升速度并提高融炼温度，使晶棒直径逐渐变小，以避免因热应力造成排差和滑移等现象产生，最终使晶棒与液面完全分离。到此即得到一根完整的晶棒。

2、晶棒裁切与检测（Cutting & Inspection）：将长成的晶棒去掉直径偏小的头、尾部分，并对尺寸进行检测，以决定下步加工的工艺参数。

3、外径研磨（Surface Grinding & Shaping）：由于在晶棒成长过程中，其外径尺寸和圆度均有一定偏差，其外园柱面也凹凸不平，所以必须对外径进行修整、研磨，使其尺寸、形状误差均小于允许偏差。

4、切片（Wire Saw Slicing）：由于硅的硬度非常大，所以在本工序里，采用环状、其内径边缘镶嵌有钻石颗粒的薄片锯片将晶棒切割成一片片薄片。

5、圆边（Edge Profiling）：由于刚切下来的晶片外边缘很锋利，硅单晶又是脆性材料，为避免边角崩裂影响晶片强度、破坏晶片表面光洁和对后工序带来污染颗粒，必须用专用的电脑控制设备自动修整晶片边缘形状和外径尺寸。

6、研磨（Lapping）：研磨的目的在于去掉切割时在晶片表面产生的锯痕和破损，使晶片表面达到所要求的光洁度。

7、蚀刻（Etching）：以化学蚀刻的方法，去掉经上几道工序加工后在晶片表面因加工应力而产生的一层损伤层。

8、去疵（Gettering）：用喷砂法将晶片上的瑕疵与缺陷感到下半层，以利于后序加工。

9、抛光（Polishing）：对晶片的边缘和表面进行抛光处理，一来进一步去掉附着在晶片上的微粒，二来获得极佳的表面平整度，以利于后面所要讲到的晶圆处理工序加工。

10、清洗（Cleaning）：将加工完成的晶片进行