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半导体行业都有哪些设备

  半导体作为重要的产业之一,每年为全球奉献近五千亿美金的产值,能够毫不夸大的说,半导体技术无处不在。俗话说:巧妇难为无米之炊,硅晶圆作为制造半导体器件和芯片的根本资料,在产业中扮演着无足轻重的位置,硅是当今重要、应用普遍的半导体资料。

  硅是十分常见的物质,如沙子里面就有二氧化硅,但沙子到硅晶体这可是个十分复杂的过程,如沙子要经过提纯、高温整形再到旋转拉伸……单晶硅是晶圆初始的状态,在实践应用中仍不行,还需求制形成晶圆,而且是请求很高的圆圆晶体。在实践的消费中,我们通常将二氧化硅复原成单晶硅,但是这个过程难度很高,由于实践用到的晶圆纯度很高,要到达99.999%以上,常用的晶圆消费过程包括硅的纯化、纯硅制成硅晶棒、制形成电路的石英半导体资料、照相制版、硅资料研磨和抛光、多晶硅融解然后拉出单晶硅晶棒再到切割成一片薄薄的晶圆。

  常见的硅晶圆消费流程

  硅在自然界中以硅酸盐或二氧化硅的方式普遍存在于岩石、砂砾中,硅晶圆的制造有三大步骤:硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。

  一、 硅提炼及提纯

  硅的提纯是第一道工序,需将沙石原料放入一个温度超越两千摄氏度的并有碳源的电弧熔炉中,在高温下发作复原反响得到冶金级硅,然后将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢反响,生成液态的硅烷,然后经过蒸馏和化学复原工艺,得到了高纯度的多晶硅。

  二、 单晶硅生长

  单晶硅

  (用直拉法制造晶圆的流程图)

  晶圆企业常用的是直拉法,如上图所示,高纯度的多晶硅放在石英坩埚中,并用外面盘绕着的石墨加热器不时加热,温度维持在大约一千多摄氏度,炉中的空气通常是惰性气体,使多晶硅凝结,同时又不会产生不需求的化学反响。 为了构成单晶硅,还需求控制晶体的方向,坩埚带着多晶硅凝结物在旋转,把一颗籽晶浸入其中,并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转,同时渐渐地、垂直地由硅凝结物中向上拉出。 凝结的多晶硅会粘在籽晶的底端,按籽晶晶格排列的方向不时地生长上去。用直拉法生长后,单晶棒将按恰当的尺寸停止切割,然后停止研磨,再用化学机械抛光工艺使其至少一面润滑如镜,这时分晶圆片就制造完成了。 晶圆制造厂把这些多晶硅融解,再在融液里种入籽晶,然后将其渐渐拉出,以构成圆柱状的单晶硅晶棒,由于硅晶棒是由一颗晶面取向肯定的籽晶在熔融态的硅原料中逐步生成。

  三、 晶圆成型

  完成了上述两道工艺, 硅晶棒再经过切段,滚磨,切片,倒角,抛光,激光刻,包装后,即成为集成电路工厂的根本原料——硅晶圆片,这就是“晶圆”。

  在理想中,经常会听到人们讲几寸晶圆厂,它是说消费单片晶圆的尺寸。普通状况下,硅晶圆直径越大,代表晶圆厂技术实力越强,如中芯国际以12寸晶圆为主,台积电的8寸晶圆等。为了将电晶体与导线尺寸减少,能够将几片晶圆制造在同一片晶圆上,制造出更多的硅晶粒,但是硅晶圆消费关键的参数就是良品率,这是晶圆厂的中心技术参数,它与硅晶圆消费设备的质量密不可分。

  制造一颗硅晶圆需求的半导体设备

  划片机

  制造一颗硅晶圆需求的半导体设备大致有十个,它们分别是单晶炉、气相外延炉、氧化炉、磁控溅射台、化学机械抛光机、光刻机、离子注入机、引线键合机、晶圆划片机、晶圆减薄机,其实光刻机只是九牛一毛。

  1、 单晶炉

  单晶炉是一种在惰性气体(氮气、氦气为主)环境中,用石墨加热器将多晶硅等多晶资料凝结,用直拉法生长无错位单晶硅的设备。在实践消费单晶硅过程中,它扮演着控制硅晶体的温度和质量的关键作用。

  由于单晶直径在生长过程中可遭到温度、提拉速度与转速、坩埚跟踪速度、维护气体流速等要素影响,其中消费的温度主要决议能否成晶,而速度将直接影响到晶体的内在质量,而这种影响却只能在单晶拉出后经过检测才干获知,单晶炉主要控制的方面包括晶体直径、硅功率控制、走漏率和氩气质量等。

  2、 气相外延炉

  气相外延炉主要是为硅的气相外延生长提供特定的工艺环境,完成在单晶上生长与单晶晶相具有对应关系的薄层晶体。外延生长是指在单晶衬底(基片)上生长一层有一定请求的、与衬底晶向相同的单晶层,犹如原来的晶体向外延伸了一段,为了制造高频大功率器件,需求减小集串联电阻,又请求资料能耐高压和大电流,因而需求在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。

  气相外延炉可以为单晶沉底完成功用化做根底准备,气相外延即化学气相堆积的一种特殊工艺,其生长薄层的晶体构造是单晶衬底的持续,而且与衬底的晶向坚持对应的关系。

  3、 氧化炉

  硅与含有氧化物质的气体,例如水汽和氧气在高温下停止化学反响,而在硅片外表产生一层致密的二氧化硅薄膜,这是硅平面技术中一项重要的工艺。氧化炉的主要功用是为硅等半导体资料停止氧化处置,提供请求的氧化气氛,完成半导体预期设计的氧化处置过程,是半导体加工过程的不可短少的一个环节。

  4、 磁控溅射台

  磁控溅射是物理气相堆积的一种,普通的溅射法可被用于制备半导体等资料,且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。在硅晶圆消费过程中,经过二极溅射中一个平行于靶外表的封锁磁场,和靶外表上构成的正交电磁场,把二次电子约束在靶外表特定区域,完成高离子密度和高能量的电离,把靶原子或分子高速率溅射堆积在基片上构成薄膜。

  5、 化学机械抛光机

  一种停止化学机械研磨的机器,在硅晶圆制造中,随着制程技术的晋级、导线与栅极尺寸的减少,光刻技术对晶圆外表的平整水平的请求越来越高,IBM公司于1985年开展CMOS产品引入,并在1990年胜利应用于64MB的DRAM消费中,1995年以后,CMP技术得到了快速开展,大量应用于半导体产业。

  化学机械研磨亦称为化学机械抛光,其原理是化学腐蚀作用和机械去除作用相分离的加工技术,是目前机械加工中能够完成外表全局平整化的技术。在实践制造中,它主要的作用是经过机械研磨和化学液体溶解“腐蚀”的综协作用,对被研磨体(半导体)停止研磨抛光。

  6、 光刻机

  又名掩模对准曝光机、曝光系统、光刻系统等,常用的光刻机是掩膜对准光刻,普通的光刻工艺要阅历硅片外表清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。在硅片外表匀胶,然后将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程将器件或电路构造暂时“复制”到硅片上的过程。

  光刻机

  7、 离子注入机

  它是高压小型加速器中的一种,应用数量多。它是由离子源得到所需求的离子,经过加速得到几百千电子伏能量的离子束流,用做半导体资料、大范围集成电路和器件的离子注入,还用于金属资料外表改性和制膜等 。

  在停止硅消费工艺里面,需求用到离子注入机对半导体外表左近区域停止掺杂,离子注入机是集成电路制造前工序中的关键设备,离子注入是对半导体外表左近区域停止掺杂的技术目的是改动半导体的载流子浓度和导电类型,离子注入与常规热掺杂工艺相比可对注入剂量角度和深度等方面停止精确的控制,克制了常规工艺的限制,降低了本钱和功耗。

  8、 引线键合机

  它的主要作用是把半导体芯片上的Pad与管脚上的Pad,用导电金属线(金丝)链接起来。引线键合是一种运用细金属线,应用热、压力、超声波能量为使金属引线与基板焊盘严密焊合,完成芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。在理想控制条件下,引线和基板间会发作电子共享或原子的互相扩散,从而使两种金属间完成原子量级上的键合。

  9、 晶圆划片机

  由于在制造硅晶圆的时分,常常是一整大片的晶圆,需求对它停止划片和处置,这时分晶圆划片机的价值就表现出了。之所以晶圆需求变换尺寸,是为了制造更复杂的集成电路。

  10、 晶圆减薄机

  在硅晶圆制造中,对晶片的尺寸精度、几何精度、外表干净度以及外表微晶格构造提出很高请求,因而在几百道工艺流程中,不可采用较薄的晶片,只能采用一定厚度的晶片在工艺过程中传送、流片。晶圆减薄,是在制造集成电路中的晶圆体减小尺寸,为了制造更复杂的集成电路。在集成电路封装前,需求对晶片反面多余的基体资料去除一定的厚度,这一工艺需求的配备就是晶片减薄机。

  当然了,在实践的消费过程中,硅晶圆制造需求的设备远远不止这些。之所以光刻机的关注度超越了其它半导体设备,这是由于它的技术难度是高的,目前仅有荷兰和美国等少数国度具有中心技术。近年来,国内的企业不时获得打破,在光刻机技术上也获得了不错的成果,前不久,国产首台超分辨光刻机被研制出来,一时间振奋了国人,随着中国自主研发的技术不时获得进步,将来中国本人消费的晶圆也将不时问世。

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