單晶工藝樣本

1、資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除?；A(chǔ)知識硅材料1、 硅的性質(zhì)與應(yīng)用硅(臺灣、香港稱矽 )是一種化學(xué)元素,它的化學(xué)符號是Si,舊稱矽。原子序數(shù)14,相對原子質(zhì)量28.09,有無定形和晶體兩種同素異形體,同素異形體有無定形硅和結(jié)晶硅。屬于元素周期表上IVA 族的類金屬元素。晶體硅為鋼灰色 ,無定形硅為黑色 ,密度 2.4g cm3, 熔點 1420,沸點 2355,晶體硅屬于原子晶體 ,硬而有光澤 ,有半導(dǎo)體性質(zhì)。 硅的化學(xué)性質(zhì)比較活潑 ,在高溫下能與氧氣等多種元素化合 ,不溶于水、硝酸和鹽酸 ,溶于氫氟酸和堿液 ,用于造制合金如硅鐵、硅鋼等 ,單晶硅是一種重要的半導(dǎo)

2、體材料,用于制造大功率晶體管、整流器、 太陽能電池等。硅在自然界分布極廣,地殼中約含 27.6 ,主要以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在。硅在地殼中的含量是除氧外最多的元素。如果說碳是組成一切有機(jī)生命的基礎(chǔ),那么硅對于地殼來說 ,占有同樣的位置 ,因為地殼的主要部分都是由含硅的巖石層構(gòu)成的。這些巖石幾乎全部是由硅石和各種硅酸鹽組成。長石、 云母、 黏土、 橄欖石、 角閃石等等都是硅酸鹽類;水晶、 瑪瑙、 碧石、 蛋白石、石英、砂子以及燧石等等都是硅石。可是,硅與氧、碳不同 ,在自然界中沒有單質(zhì)狀態(tài)存在。這就注定它的發(fā)現(xiàn)比碳和氧晚。拉瓦錫曾把硅土當(dāng)成不可分割的物質(zhì)元素。1823 年 ,貝齊里烏斯將氟硅

3、酸鉀( K2SiF6)與過量金屬鉀共熱制得無定形硅。盡管之前也有不少科學(xué)家也制得過無定形硅,但直到貝齊里烏斯將制得的硅在氧氣中燃燒 , 生成二氧化硅硅土 , 硅才被確定為一種元素。硅被命名為 silicium, 元素符號是 Si 。硅重要的半導(dǎo)體材料 , 化學(xué)元素符號 Si, 電子工業(yè)上使用的硅應(yīng)具有高純度和優(yōu)良的電學(xué)和機(jī)械等性能。硅是產(chǎn)量最大、 應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料 , 它的產(chǎn)量和用量標(biāo)志著一個國家的電子工業(yè)水平。在研究和生產(chǎn)中 , 硅材料與硅器件相互促進(jìn)。 在第二次世界大戰(zhàn)中 , 開始用硅制作雷達(dá)的高頻晶體檢波器。 所用的硅純度很低又非單晶體。 1950 年制出第一只硅晶體管 , 提高了人

4、們制備優(yōu)質(zhì)硅單晶的興趣。 1952 年用直拉法 (CZ) 培育硅單晶成功。 1953 年又研究出無坩堝區(qū)域熔化法 (FZ),既可進(jìn)行物理提純又能拉制單晶。 1955 年開始采用鋅還原四氯化硅法生產(chǎn)資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。純硅 ,但不能滿足制造晶體管的要求。1956 年研究成功氫還原三氯氫硅法。對硅中微量雜質(zhì)又經(jīng)過一段時間的探索后,氫還原三氯氫硅法成為一種主要的方法。到1960 年 ,用這種方法進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)已具規(guī)模。 硅整流器與硅閘流管的問世促使硅材料的生產(chǎn)一躍而居半導(dǎo)體材料的首位。60 年代硅外延生長單晶技術(shù)和硅平面工藝的出現(xiàn),不但使硅晶體管制造技術(shù)趨于成

5、熟 , 而且促使集成電路迅速發(fā)展。 80 年代初全世界多晶硅產(chǎn)量已達(dá) 2500 噸。硅還是有前途的太陽電池材料之一。 用多晶硅制造太陽電池的技術(shù)已經(jīng)成熟 ; 無定形非晶硅膜的研究進(jìn)展迅速 ;非晶硅太陽電池開始進(jìn)入市場。硅是元素半導(dǎo)體 。電活性雜質(zhì)磷和硼在合格半導(dǎo)體和多晶硅中應(yīng)分別低于0.4ppb 和0.1ppb 。拉制單晶時要摻入一定量的電活性雜質(zhì),以獲得所要求的導(dǎo)電類型和電阻率。重金屬銅、金、 鐵等和非金屬碳都是極有害的雜質(zhì),它們的存在會使PN結(jié)性能變壞。硅中碳含量較高 ,低于 1ppm者可認(rèn)為是低碳單晶。碳含量超過3ppm時其有害作用已較顯著。 硅中氧含量甚高。氧的存在有益也有害。直拉硅單

6、晶氧含量在540ppm范圍內(nèi) ;區(qū)熔硅單晶氧含量可低于 1ppm。硅具有優(yōu)良的半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)。禁帶寬度適中 ,為 1.21 電子伏。載流子遷移率較高 ,電22子遷移率為 1350cm/( VS) ,空穴遷移率為 480 cm /( VS)。本征電阻率在室溫 (300K) 下高達(dá) 2.3 10 m, 摻雜后電阻率可控制在 10-5 107 m的寬廣范圍內(nèi) , 能滿足制造各種器件的需要。硅單晶的非平衡少數(shù)載流子壽命較長 , 在幾十微秒至 1 毫秒之間。熱導(dǎo)率較大?；瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定 , 又易于形成穩(wěn)定的熱氧化膜。在平面型硅器件制造中能夠用氧化膜實現(xiàn) PN結(jié)表面鈍化和保護(hù) , 還能夠形成金屬 - 氧化物

7、- 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) , 制造 MOS場效應(yīng)晶體管和集成電路。上述性質(zhì)使 PN結(jié)具有良好特性 , 使硅器件具有耐高壓、 反向漏電流小、 效率高、 使用壽命長、 可靠性好、 熱傳導(dǎo)好 , 并能在 200高溫下運行等優(yōu)點。硅單晶的主要技術(shù)參數(shù) 硅單晶主要技術(shù)參數(shù)有導(dǎo)電類型、 電阻率與均勻度、 非平衡少數(shù)載流子壽命、 晶向與晶向偏離度、 晶體缺陷等。導(dǎo)電類型 : 導(dǎo)電類型由摻入的施主或受主雜質(zhì)決定。 P 型單晶多摻硼 , N 型單晶多摻磷 , 外延片襯底用 N型單晶摻銻或砷。電阻率與均勻度 拉制單晶時摻入一定雜質(zhì)以控制單晶的電阻率。由于雜質(zhì)分布不勻,電阻率也不均勻。電阻率均勻性包括縱向電阻率均勻度、 斷面

8、電阻率均勻度和微區(qū)電阻率均勻度。它直接影響器件參數(shù)的一致性和成品率。資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。非平衡少數(shù)載流子壽命光照或電注入產(chǎn)生的附加電子和空穴瞬即復(fù)合而消失,它們平均存在的時間稱為非平衡少數(shù)載流子的壽命。非平衡載流子壽命同器件放大倍數(shù)、 反向電流和開關(guān)特性等均有關(guān)系。 壽命值又間接地反映硅單晶的純度 , 存在重金屬雜質(zhì)會使壽命值大大降低。晶向與晶向偏離度常見的單晶晶向多為(111) 和(100) 。晶體的軸與晶體方向不吻合時,其偏離的角度稱為晶向偏離度。晶體缺陷生產(chǎn)電子器件用的硅單晶除對位錯密度有一定限制外,不允許有小角度晶界、 位錯排、 星形結(jié)構(gòu)等缺陷

9、存在。位錯密度低于 200/ cm-2 者稱為無位錯單晶 , 無位錯硅單晶占產(chǎn)量的大多數(shù)。在無位錯硅單晶中還存在雜質(zhì)原子、 空位團(tuán)、 自間隙原子團(tuán)、氧碳或其它雜質(zhì)的沉淀物等微缺陷。 微缺陷集合成圈狀或螺旋狀者稱為旋渦缺陷。 熱加工過程中 , 硅單晶微缺陷間的相互作用及變化直接影響集成電路的成敗。類型和應(yīng)用 硅單晶按拉制方法不同分為無坩堝區(qū)熔 (FZ) 單晶與有坩堝直拉 (CZ) 單晶。區(qū)熔單晶不受坩堝污染 , 純度較高 , 適于生產(chǎn)電阻率高于 20 cm的 N 型硅單晶 ( 包括中子嬗變摻雜單晶 ) 和高阻 P 型硅單晶。由于含氧量低 , 區(qū)熔單晶機(jī)械強(qiáng)度較差。 大量區(qū)熔單晶用于制造高壓整流器

10、、 晶體閘流管、 高壓晶體管等器件。直接法易于獲得大直徑單晶 , 但純度低于區(qū)熔單晶 , 適于生產(chǎn) 20 cm以下的硅單晶。由于含氧量高 , 直拉單晶機(jī)械強(qiáng)度較好。大量直拉單晶用于制造 MOS集成電路、 大功率晶體管等器件。外延片襯底單晶也用直拉法生產(chǎn)。 硅單晶商品多制成拋光片 , 但對 FZ 單晶片與 CZ單晶片須加以區(qū)別。 外延片是在硅單晶片襯底 ( 或尖晶石、 藍(lán)寶石等絕緣襯底 ) 上外延生長硅單晶薄層而制成 , 大量用于制造雙極型集成電路、 高頻晶體管、 小功率晶體管等器件。2、 太陽能級硅材料太陽能級硅材料是純度為6個 9 以上的高純硅材料 ,即純度為 99.9999 以上的硅材料。

11、A、 太陽能級多晶硅料總體要求 :硅含量 99.9999%; 含硼量 : 0.20ppba;含磷量 : 0.90ppba;含碳量 : 1.00ppba;金屬含量 : 30.00ppba;金屬表面含量 : 0.50Ohmcm。B、 破碎半導(dǎo)體級硅片資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。技術(shù)要求 :半導(dǎo)體級碎硅片、片子形狀為圓弧形碎片、硅片厚度 =400um、 型號為 P 型、 電阻率 : 0.50OhmcmC、 小多晶硅技術(shù)要求 :型號為 N型、電阻率大于 50ohmcn、碳含量小于 5*1016/cm3、氟含量小于 5*1017/cm3 、塊狀為 4mm、 不能有氧化物

12、夾層和不熔物 , 最好為免洗料。D、 直拉多晶硅技術(shù)要求 :磷檢為 N型、 電阻率大于 100ohmcm、 硼檢為 P 型、 電阻率大于 1000ohmcm、 少婁載流子壽命大 100um、 碳含量小于 1016cm3、 氧含量小于 1017 cm3、 塊狀小于 30mm、不能有氧化物夾層和不熔物 , 最好為免洗料。E、 區(qū)熔頭尾料技術(shù)要求 :N 型, 電阻率大于 50chmom、 少數(shù)載流子壽命大于 100m、 塊狀大于 30mm、 區(qū)熔頭尾料不能有氣泡 , 不能有與線圈接觸所造成的沾污 , 更不能有區(qū)熔過程的流硅或不熔物, 最好為免洗料。F、 直拉頭尾料 ( IC料) ,最好為免洗料技術(shù)要

13、求 :N 型,電阻率大于 10ohmom、 P 型,電阻率大于 0.5ohmom、 塊狀大于 30mm, 片厚大于0.5mm、 直拉頭尾料不能氣泡 ,更不能有不熔物。3、 CZ 生長原理及工藝流程CZ法的基本原理 , 多晶體硅料經(jīng)加熱熔化 , 待溫度合適后 , 經(jīng)過將籽晶浸入、 熔接、引晶、 放肩、 轉(zhuǎn)肩、 等徑、 收尾等步驟 , 完成一根單晶錠的拉制。爐內(nèi)的傳熱、 傳質(zhì)、流體力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等過程都直接影響到單晶的生長與生長成的單晶的質(zhì)量,拉晶過程中可直接控制的參數(shù)有溫度場、籽晶的晶向、坩堝和生長成的單晶的旋轉(zhuǎn)與升降速率,爐內(nèi)保護(hù)氣體的種類、流向、流速、壓力等。資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)

14、或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。CZ法生長的具體工藝過程包括裝料與熔料、熔接、 細(xì)頸、放肩、轉(zhuǎn)肩、 等徑生長和收尾這樣幾個階段。1裝料、熔料裝料、 熔料階段是 CZ生長過程的第一個階段 ,這一階段看起來似乎很簡單,可是這一階段操作正確與否往往關(guān)系到生長過程的成敗。大多數(shù)造成重大損失的事故( 如坩堝破裂 ) 都發(fā)生在或起源于這一階段。2籽晶與熔硅的熔接當(dāng)硅料全部熔化后 ,調(diào)整加熱功率以控制熔體的溫度。一般情況下 ,有兩個傳感器分別監(jiān)測熔體表面和加熱器保溫罩石墨圓筒的溫度, 在熱場和拉晶工藝改變不大的情況下 , 上一爐的溫度讀數(shù)可作為參考來設(shè)定引晶溫度。按工藝要求調(diào)整氣體的流量、壓力、 坩堝位置、

15、晶轉(zhuǎn)、 堝轉(zhuǎn)。硅料全部熔化后熔體必須有一定的穩(wěn)定時間達(dá)到熔體溫度和熔體的流動的穩(wěn)定。裝料量越大 , 則所需時間越長。待熔體穩(wěn)定后 ,降下籽晶至離液面35mm距離 ,使粒晶預(yù)熱 , 以減少籽經(jīng)與熔硅的溫度差 , 從而減少籽晶與熔硅接觸時在籽晶中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。預(yù)熱后 , 下降籽晶至熔體的表面 , 讓它們充分接觸 ,這一過程稱為熔接。 在熔接過程中要注意觀察所發(fā)生的現(xiàn)象來判斷熔硅表面的溫度是否合適, 在合適的溫度下 , 熔接后在界面處會逐漸產(chǎn)生由固液氣三相交接處的彎月面所導(dǎo)致的光環(huán)( 一般稱為”光圈” ), 并逐漸由光環(huán)的一部分變成完整的圓形光環(huán) , 溫度過高會使籽晶熔斷 , 溫度過低 ,將不會出現(xiàn)

16、彎月面光環(huán) , 甚至長出多晶。 熟練的操作人員 ,能根據(jù)彎月面光環(huán)的寬度及明亮程度來判斷熔體的溫度是否合適。3引細(xì)頸雖然籽晶都是采用無位錯硅單晶制備的16 19,可是當(dāng)籽晶插入熔體時 ,由于受到籽晶與熔硅的溫度差所造成的熱應(yīng)力和表面張力的作用會產(chǎn)生位錯。 因此 , 在熔接之后應(yīng)用引細(xì)頸工藝 , 能夠使位錯消失 , 建立起無位錯生長狀態(tài)。在籽晶能承受晶錠重量的前提下 , 細(xì)頸應(yīng)盡可能細(xì)長 , 一般直徑之比應(yīng)達(dá)到 1: 10 。4放肩資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。引細(xì)頸階段完成后必須將直徑放大到目標(biāo)直徑,當(dāng)細(xì)頸生長至足夠長度,而且達(dá)到一定的提拉速率 ,即可降低拉速進(jìn)

17、行放肩。 當(dāng)前的拉晶工藝幾乎都采用平放肩工藝,即肩部夾角接近 180,這種方法降低了晶錠頭部的原料損失。5轉(zhuǎn)肩晶體生長從直徑放大階段轉(zhuǎn)到等徑生長階段時 , 需要進(jìn)行轉(zhuǎn)肩 , 當(dāng)放肩直徑接近預(yù)定目標(biāo)時 , 提高拉速 , 晶體逐漸進(jìn)入等徑生長。 為保持液面位置不變 , 轉(zhuǎn)肩時或轉(zhuǎn)肩后應(yīng)開始啟動堝升 , 一般以適當(dāng)?shù)膱迳⑹怪S晶升變化。 放肩時 , 直徑增大很快 , 幾乎不出現(xiàn)彎月面光環(huán) , 轉(zhuǎn)肩過程中 , 彎月面光環(huán)漸漸出現(xiàn) , 寬度增大 , 亮度變大 , 拉晶操作人員應(yīng)能根據(jù)彎月面光環(huán)的寬度和亮度 , 準(zhǔn)確地判斷直徑的變化 , 并及時調(diào)整拉速 , 保證轉(zhuǎn)肩平滑 , 晶體直徑均勻并達(dá)到目標(biāo)值。

18、從原理上說也能夠采用升高熔體的溫度來實現(xiàn)轉(zhuǎn)肩 , 但升溫會增強(qiáng)熔體中的熱對流 , 降低熔體的穩(wěn)定性 , 容易出現(xiàn)位錯 ( 斷苞 ), 因此 , 當(dāng)前的工藝都采取提高拉速的快轉(zhuǎn)肩工藝。6等徑生長當(dāng)晶體基本實現(xiàn)等徑生長并達(dá)到目標(biāo)直徑時,就可實行直徑的自動控制。在等徑生長階段 ,不但要控制好晶體的直徑,更為重要的是保持晶體的無位錯生長。晶體內(nèi)總是存在著熱應(yīng)力 ,實踐表明 ,晶體在生長過程中等溫面不可能保持絕正確平面,而只要等溫面不是平面就存在著徑向溫度梯度,形成熱應(yīng)力 ,晶體中軸向溫度分布往往具有指數(shù)函數(shù)的形式 ,因而也必然會產(chǎn)生熱應(yīng)力。 當(dāng)這些熱應(yīng)力超過了硅的臨界應(yīng)力時晶體中將產(chǎn)生位錯。必須控制徑

19、向溫度梯度和軸向溫度梯度不能過大,使熱應(yīng)力不超過硅的臨界應(yīng)力,滿足這樣的條件才能保持無位錯生長。另一方面 , 多晶中夾雜的難熔固體顆粒、 爐塵 ( 坩堝中的熔體中的 SiO 揮發(fā)后 , 在爐膛氣氛中冷卻 , 混結(jié)成的顆粒 ) 、 坩堝起皮后的脫落物等 , 當(dāng)它們運動至生長界面處都會引起位錯的產(chǎn)生 ( 常常稱為斷苞 ), 其原因一是作為非均勻成核的結(jié)晶核 , 一是成為位錯源。 調(diào)整熱場的結(jié)構(gòu)和坩堝在熱場中的初始位置 , 能夠改變晶體中的溫度梯度。調(diào)節(jié)保護(hù)氣體的流量、 壓力 , 調(diào)整氣體的流向 , 能夠帶走揮發(fā)物 SiO 和有害雜質(zhì) CO氣體 , 防止?fàn)t塵掉落 , 有利于無位錯單晶的生長 , 同時

20、也有改變晶體中的溫度梯度的作用。無位錯狀態(tài)的判斷因晶體的晶向而異 , 一般可經(jīng)過晶錠外側(cè)面上的生長條紋 ( 一般稱為苞絲 ) 、 小平面 ( 一般稱為扁棱和棱線 ) 來判斷。 生長時 , 在放肩階段有六條棱線出現(xiàn) ,資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。三條主棱線、 三條副棱線、 等晶階段晶錠上有苞絲和三個扁棱 , 因生長界面上小平面的出現(xiàn)而使彎月面光環(huán)上有明顯的直線段部分。 生長晶向?qū)?zhǔn)時 , 三個小平面應(yīng)大小相等 , 相互間成 l20 夾角。但實際生長時往往由于生長方向的偏離 , 造成小平面有大有小 , 有的甚至消失。 方向生長時 , 有四條棱線 , 沒有苞絲。無位錯生長時 , 在整根晶體上四條棱線應(yīng)連續(xù) , 只要有一條棱線消失或出現(xiàn)不連續(xù) , 說明出現(xiàn)了位錯 ( 斷苞 ) 。出現(xiàn)位錯后的處理視情況不同處理方法也不同 , 當(dāng)晶錠長度不長時 , 應(yīng)進(jìn)行回熔 , 然后重新拉晶 ; 當(dāng)晶錠超過一定的長度 , 而坩堝中還有不少熔料時 , 可將晶錠提起 , 冷卻后取出 , 然后再拉出下一根晶錠 ; 當(dāng)坩堝中的熔體所剩不多時 , 或者將晶體提起 , 或者繼續(xù)拉下去 , 斷苞部分作為