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        全面解讀集成電路產業(yè)鏈及相關技術

        作者: 時間:2017-07-04 來源:國元證券 收藏
        編者按:如今集成電路已被廣泛應用于所有電子設備,并推動了電子時代的到來,傳媒、教育、娛樂、醫(yī)療、軍工、通訊等各領域的發(fā)展均離不開性能卓越的集成電路設備,本文將會對集成電路的一些基礎的流程和技術進行相關科普。

          (2)模擬IC和邏輯IC

        本文引用地址:http://www.antipu.com.cn/article/201707/361307.htm

          模擬IC是處理連續(xù)性的光、聲音、速度、溫度等自然模擬信號,模擬IC按技術類型來分有只處理模擬信號的線性IC和同時處理模擬與數字信號的混合IC。模擬IC按應用來分可分為標準型模擬IC和特殊應用型模擬IC。標準型模擬IC包括放大器、信號界面、數據轉換、比較器等產品。特殊應用型模擬IC主要應用在4個領域,分別是通信、汽車、電腦周邊和消費類電子。


        全面解讀集成電路產業(yè)鏈及相關技術

          2014年前十大模擬IC廠商銷售額(單位:百萬美元)

          邏輯IC可分為標準邏輯IC及特殊應用IC(ASIC),標準邏輯IC提供基本邏輯運算,并大量制造,而ASIC是為單一客戶及特殊應用而量身定做的IC,具有定制化、差異化及少量多樣的特性,主要應用于產業(yè)變動快、產品差異化高及整合度需求大的市場。

          (3)微元件IC

          微元件IC包括微處理器(MPU)、微控制器(MCU)、數字信號處理器(DSP)及微周邊設備(MPR)。MPU是微元件IC中的最重要的產品,主要用于個人電腦、工作站和服務器,CPU是其中的一種,目前以Intel公司為MPU產業(yè)龍頭。MCU又稱為單片微型計算機或者單片機,是把中央處理器的頻率與規(guī)格適當縮減,并將內存、計數器、USB、A/D轉換、UART、PLC、DMA等周邊接口,甚至LCD驅動電路都整合在單一芯片上,形成芯片級的計算機,為不同的應用場合做不同組合控制。諸如手機、PC外圍、遙控器,至汽車電子、工業(yè)上的步進馬達、機器手臂的控制等,都可見到MCU的身影。

          DSP芯片即指能夠實現數字信號處理技術的芯片, 近年來,數字信號處理器(DSP)芯片已經廣泛用于自動控制、圖像處理、通信技術、網絡設備、儀器儀表和家電等領域;DSP為數字信號處理提供了高效而可靠的硬件基礎。MPR則是支持MPU及MCU的周邊邏輯電路元件。

          (二)制造部分

          制造過程可分為晶圓制造和晶圓加工兩部分。前者指運用二氧化硅原料逐步制得單晶硅晶圓的過程;后者則指在制備的晶圓材料上構建完整的芯片。

          (1)晶圓制造

          由于芯片極高的電路集成度,其電路對于半導體基質(晶圓)的材料純度要求亦十分嚴苛。由各種元素混雜的硅石到硅純度達 99.9999999%(稱為 9N)的硅單晶晶圓,晶圓的制造流程,因此可以被認為是硅材料不斷提純的過程:

          1)“冶金級硅”制備:從二氧化硅到“金屬硅”

          由硅石等富含二氧化硅(SiO2)的礦物資源通過提純得到高純度二氧化硅。充足的高純度二氧化硅原料與富含碳原子(C)的煤炭、木炭等反應物被臵于電爐中,在1900℃的高溫下,二氧化硅與碳發(fā)生氧化還原反應:SiO2+2C→Si+2CO,初步制得硅(Si)材料。


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          從二氧化硅到“金屬硅

          由于此過程類似通過氧化還原反應冶煉鐵、銅等金屬的冶金過程,故此過程制備的硅材料被稱為“冶金級硅”,又稱“金屬硅”?!案呒儭苯饘俟璨牧系墓韬靠蛇_ 98%,但這仍不能達到制成芯片的純度要求。

          2)西門子制程:從金屬硅到多晶硅

          冶金級硅的產量占全球硅元素產品產量的20%,該產品被大量運用于鋁硅合金鑄造業(yè)與化工產業(yè)。其中,僅有 5~10%的冶金級硅被用于再次提純,進而制成高純度“電子級硅”(電子級硅產量不到全球硅產品產量的 1~2%)。

          為進一步提純硅材料,產業(yè)多先轉化冶金級硅材料為含硅元素的揮發(fā)性液體,如三氯硅烷(HSiCl3)、四氯化硅(SiCl4),或直接轉化為氣體硅烷(SiH4)。之后,在密閉反應室中臵入表面溫度達 1150℃的高純硅芯,通入三氯硅烷氣體。通過化學分解作用,高純度硅材料得以直接“生長”于硅芯表面,由此提高硅材料純度。


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          從“ 金屬硅” 到多晶硅

          該制程被稱為化學氣相沉積法(CVD),用以制備高純多晶硅。該技術于1954 年德國西門子公司申請專利,故又稱“西門子制程”。此后的改良西門子法大大降低了制造能耗,并可使制備的多晶硅材料純度達到 99.9999%(6N)。

          其他制程,如流化床反應器技術(FBR)、升級冶金硅技術(UMG-Si)等,亦被應用于高純多晶硅生產,但改良西門子法仍占據產量的多數(達總產量的88%)。

          3)柴可拉斯基制程(“拉晶工藝”):從多晶硅到單晶硅

          6N 純度的多晶硅材料仍不能應用于微電子領域。并且電學性質方面,多晶硅的導電性以無法達到芯片級技術要求。為有效控制半導體材料的量子力學特性,硅材料的純度仍需進一步提高。通過反復提純的過程,最終用于集成電路生產的硅材料純度需達到99.9999999%( 9N)水平。

          由高純多晶硅提純高純單晶硅,主流的制備工藝為“柴可拉斯基制程”:柴可拉斯基制程指制備半導體(如硅、鍺、砷化鎵)、金屬、鹽類、合成寶石等的單晶的晶體生長過程。


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          從多晶硅到電子級硅

          上一步驟制備的高純多晶硅,在1425℃的高溫下熔融于坩堝容器中??杉尤霌诫s劑原子如硼(B)、磷(P)原子對半導體進行摻雜,以制成具有不同電子特性的 p 型或 n型半導體。將轉動的高純單晶硅晶棒沒入熔融的多晶硅中,緩慢地轉動并同時向上拉出晶棒。同時,盛放熔融物的坩堝以晶棒轉動的反向轉動。通過精確控制溫度變化、拉晶速率、旋轉速度,得以從熔融物中提取出標準化的大型圓柱體單晶晶柱,晶柱可高達兩米,重約數百千克。

          硅晶柱直徑決定了切割出晶圓的直徑,更大的晶圓意味著單塊晶圓上得以印刻更多的集成電路晶片,生產效率可以得到極大提升?,F階段,晶圓制造廠主要生產直徑為200mm和300mm的晶圓。到2018年,450mm直徑的晶圓預計可以實現量產。另外,為保證單晶硅材料純度,晶柱生長的過程通常于惰性氣體(如氬氣Ar)環(huán)境下在惰性反應容器(如石英坩堝)中進行。

          在國內,此工藝常被形象地稱為制備高純單晶硅的“拉晶工藝”,此法制備的高純單晶硅硅錠純度可達99.9999999%(9N),具有優(yōu)良的半導體量子力學特性,可以被用于集成電路制造領域——該材料因此被稱為“電子級硅”。另外,在工業(yè)生產中懸浮區(qū)熔法等技術也被用于多晶硅至單晶硅的提純過程。其缺點是制備的晶柱直徑往往小于拉晶法的制成直徑。

          4)最后一步:從晶柱到晶圓

          制備了高純單晶硅晶柱后,需經過:1晶柱裁切與檢測、2外徑研磨、3切片、4圓邊、5研磨、6蝕刻、7去疵、8拋光、9清洗、10檢驗、11包裝等等十一個步驟進行處理。


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          從晶柱到晶圓

          最終制成可供晶圓加工廠家使用的合格半導體晶圓。極度平滑的硅晶圓厚度一般在0.2-0.75mm之間,直接作為制造集成電路芯片的材料,由晶圓代工廠進行晶圓加工階段的處理。



        關鍵詞: 集成電路 封裝

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