第一步:弄些沙子
正如您可能已經(jīng)猜到的那樣,芯片制造商不會與JCB一起前往最近的海灘,也不會向本地建筑商的商人下達大宗訂單。由于存在雜質(zhì),普通沙子和建筑業(yè)使用的沙子通常會染成紅色,黃色或橙色。芯片制造商需要的是硅砂,通??梢酝ㄟ^采石獲得硅砂。
硅砂也被稱為二氧化硅,正如您毫無疑問地從名稱中猜測的那樣,它是硅和氧的混合物。為了獲得硅,可通過將氧與碳混合并在電弧爐中將其加熱到2,000攝氏度以上的溫度來除去氧。在這些溫度下,碳與氧發(fā)生反應,變成二氧化碳,并在爐膛底部留有純硅爐子。然后用氧氣對硅進行處理,以去除雜質(zhì),例如鈣或鋁,從而得到所謂的冶金級硅。純度高達99%。
不幸的是,對于芯片制造商而言,這還遠遠不夠滿足微觀微處理器的要求。因此,將冶金級硅進一步精煉,這一次是將其研磨成細粉,加入氯化氫,然后在流化床反應器中于300攝氏度下加熱。這將產(chǎn)生一種稱為三氯硅烷的液態(tài)硅化合物,并且還會產(chǎn)生氯化硅。不需要的元素,例如鐵,鋁,硼和磷。通過分餾將它們除去,并將三氯硅烷在1,000攝氏度的氫氣中蒸發(fā)。電加熱的超純硅棒收集硅,其結(jié)果是電子級硅。其純度:99.999999%。事實證明,這很容易。
步驟2:制作一些水晶
電子級硅仍然不是完美的,因為它具有多晶結(jié)構(gòu)。這意味著它由許多小的硅晶體組成,這些晶體之間的連接處會遭受稱為晶界的缺陷。這些邊界會導致電子信號混亂,因此必須更改硅的結(jié)構(gòu)。
這樣做的過程稱為切克勞斯基過程(Czochralski Process),它涉及在石英坩堝中以剛好超過1,414攝氏度的熔點熔化硅晶體。然后將一個微小的硅晶體浸入熔融的硅中,然后將其抽出。不斷地以與坩堝旋轉(zhuǎn)相反的方向旋轉(zhuǎn)。這從坩堝中吸引了硅,形成了所謂的晶錠。晶棒是由單個硅晶體制成的棒,其大小取決于溫度,自旋速率和從液體中拉出晶體的速率。典型的晶錠直徑約為300mm。
步驟3:切割晶圓
現(xiàn)在將圓形硅棒切成薄片,然后將這些薄片切得盡可能薄,而又使其無法幸免于制造過程。用類似于雞蛋切片機的裝置切割棒,同時切割多個切片以產(chǎn)生0.775毫米厚的薄餅。鋼絲不斷移動并攜帶碳化硅漿,碳化硅漿與用于制造干濕砂紙的磨料相同。然后將晶片的鋒利邊緣弄平,以防止其碎裂。
下一步:研磨,使用研磨漿拋光晶片的表面,直到晶片平整到千分之二千毫米的公差為止。之后,用硝酸,氫氟酸和乙酸的混合物蝕刻晶片,以形成更平滑的表面。
步驟4:制作圖案
現(xiàn)在將為超光滑的晶圓提供一個氧化層,該氧化層用于創(chuàng)建所需的電路特征。選擇性地對特定區(qū)域執(zhí)行此操作,并且可能涉及使用離子束,熱氣體和/或化學物質(zhì)。
這種化學品曾經(jīng)被稱為“光致抗蝕劑”,它與用于制造膠卷的化學品大致相似。不幸的是,這不能很好地應對熱氣處理,因此需要對晶圓進行掩膜處理。這是通過施加圖案化的氧化層來完成的,該層可以確保氣體不會到達芯片設(shè)計人員想要保留的光致抗蝕劑位。
此過程最多可以包含六個步驟:
1)晶片在熔爐中加熱到高溫,當硅與氧反應時產(chǎn)生二氧化硅層
2)施加一層光刻膠,在真空中旋轉(zhuǎn)晶圓,以確保覆蓋均勻,然后烘烤干燥
3)通過晶片上的每個芯片或芯片簇一次,使晶片通過照相掩?;蚰z卷暴露于紫外光下。使用稱為“步進器”的機器在每次曝光之間移動晶片
4)施加堿性溶液,溶解暴露在紫外線下的光刻膠部分。這些部分被沖走了
5)氫氟酸用于溶解已洗掉光致抗蝕劑的氧化層部分
6)施加溶劑以去除殘留的光致抗蝕劑,從而留下所需電路特征形狀的圖案化氧化層
原標題: 沙子如何演變成光伏硅?