從沙子到晶圓

1、從沙子到晶圓從沙子到晶圓VQA/ 池 勇2015.01.04沙子變晶圓，這下發(fā)財(cái)了！沙子沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的沙子脫氧后的沙子( (尤其是石尤其是石英英) )最多包含最多包含2525的硅元素的硅元素，以二氧化硅二氧化硅(SiO2)(SiO2)的形式存在，這也是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。 從沙子到硅注：冶金級(jí)硅(純度98%)硅礦冶煉用碳加熱硅石來(lái)制備冶金級(jí)硅硅的純化I通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將冶金級(jí)硅提純以生成三氯硅烷硅的純化II利用西門子方法，通過(guò)三氯硅烷和氫氣反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)電子級(jí)硅注：電子級(jí)硅(純度99.9999999%)晶體生長(zhǎng)把多晶塊轉(zhuǎn)變成一個(gè)大單晶，并給予正確的定向和適量的N型或P型摻

2、雜，叫做晶體生長(zhǎng)。有三種不同的生長(zhǎng)方法：直拉法和區(qū)熔法一、直拉法旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)籽晶生長(zhǎng)晶體射頻加熱線圈熔融硅 CZ法（切克勞斯基Czchralski）：把熔化了的半導(dǎo)體級(jí)硅液體變?yōu)橛姓_晶向并且被摻雜成N型或P型的固體單晶硅錠。大部分的單晶都是通過(guò)直拉法生長(zhǎng)的。生產(chǎn)過(guò)程如圖所示。直拉法步驟引晶(下種) ：籽晶預(yù)熱10，在多晶硅熔化后，提升坩堝到拉晶位置，使熔硅位于加熱器上部。把籽晶下降到液面上方幾毫米處，稍等片刻，讓溶液溫度穩(wěn)定，籽晶溫度升高后，使籽晶與液面接觸，這一步通常稱為下種。它是能否獲得單晶的關(guān)鍵。籽晶、坩堝轉(zhuǎn)速分別為15和8r/min。調(diào)節(jié)料溫，合適溫度下，籽晶可長(zhǎng)時(shí)間與熔體接觸，不進(jìn)一步

3、熔化、也不生長(zhǎng)。收（縮）頸 縮頸是指開(kāi)始拉晶時(shí)，拉一段直徑比籽晶略細(xì)的部分?？s頸的作用在于避免生成多晶和盡量消除籽晶內(nèi)原有位錯(cuò)的延伸。一般來(lái)說(shuō)，快速縮頸對(duì)降低位錯(cuò)有一定效果。開(kāi)始時(shí)籽晶提升 ，籽晶慢慢向上提，觀察彎月面形狀，若合適，開(kāi)始將籽晶慢慢向上提升，并逐漸增大拉速到3.5mm/min以上，收頸部的直徑約為23mm，長(zhǎng)度應(yīng)大于20mm。 細(xì)而長(zhǎng)的頸部有利于抑制位錯(cuò)從籽晶向頸部以下晶體延伸。直拉法步驟放肩-收頸到所要求長(zhǎng)度（大于十毫米）后，略降低溫度，降低15-40，拉速0.4mm/min讓晶體逐漸長(zhǎng)大到所需直徑，盡可能長(zhǎng)成平肩此過(guò)程稱放肩。收肩-當(dāng)肩部直徑約比需要的單晶小3-5mm時(shí)，拉速

4、調(diào)至2.5mm /min，同時(shí)坩堝自動(dòng)跟蹤， 讓熔硅液始終保持在相對(duì)固定的位置上。等徑生長(zhǎng)-放肩到所需直徑后，即可升高溫度，使直徑保持一定進(jìn)行生長(zhǎng)，這一過(guò)程通常稱為等徑生長(zhǎng)。等徑生長(zhǎng)通常恒定拉速以使直徑大小均勻，拉速1.31.5 mm /min，生產(chǎn)中大多采用自動(dòng)控制等徑生長(zhǎng) 。收尾-等徑生長(zhǎng)后往往拉成一個(gè)錐形尾部，以減少位錯(cuò)的產(chǎn)生與攀移。當(dāng)料剩1.5Kg左右時(shí)停止坩堝跟蹤，選取等徑生長(zhǎng)最后兩小時(shí)的平均拉速，逐漸升溫，使尾部成為錐形。料要拉完，否則冷卻時(shí)，剩料會(huì)使坩堝破裂。二、區(qū)熔法-把摻雜好的多晶硅棒鑄在一個(gè)模型里，固定籽晶的一端然后放進(jìn)生長(zhǎng)爐中，用射頻線圈加熱籽晶與硅棒的接觸區(qū)域，調(diào)節(jié)溫度

5、使熔區(qū)緩慢地向棒的另一端移動(dòng)，通過(guò)整根棒料，生長(zhǎng)成一根單晶，晶向與籽晶的相同 主要用來(lái)生長(zhǎng)高純、高阻、長(zhǎng)壽命、低氧、低碳含量的晶體，但不能生長(zhǎng)大直徑的單晶，并且晶體有較高的位錯(cuò)密度。這種工藝生長(zhǎng)的低氧單晶主要使用在高功率的晶閘管和整流器上兩種方法的比較查克洛斯基法是較常用的方法 價(jià)格便宜 較大的晶圓尺寸 (直徑300mm ) 晶體碎片和多晶態(tài)硅再利用區(qū)熔法 純度較高(不用坩堝) 價(jià)格較高, 晶圓尺寸較小 (150 mm) 分離式功率組件-產(chǎn)生于晶體生長(zhǎng)和后面的硅錠(生長(zhǎng)后的單晶硅）和硅片的各項(xiàng)工藝中。在硅中主要普遍存在的缺陷形式有：點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)和原生缺陷（層錯(cuò)）晶體缺陷點(diǎn)缺陷-晶體內(nèi)雜質(zhì)原子的

6、擠壓晶體結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力所產(chǎn)生的缺陷. 最常見(jiàn)的點(diǎn)缺陷是空位缺陷、間隙原子缺陷和弗侖克爾缺陷空位缺陷：在晶格位置缺失一個(gè)原子間隙原子缺陷：一個(gè)原子不在晶格位置上，而是處在晶格位置之間弗侖克爾缺陷：填隙原子是原子脫離附近晶格的位置形成的，并在原晶格位置處留下一個(gè)空位，這種空位和填隙的組合稱為弗侖克爾缺陷位錯(cuò)晶體缺陷晶內(nèi)部一組晶胞排錯(cuò)位置所制。在這種缺陷中，一列額外的原子被插入到另外兩列原子之間。分為原生為錯(cuò)和誘生為錯(cuò)。a.原生位錯(cuò)是晶體中固有的位錯(cuò)b.誘生位錯(cuò)是指在芯片加工過(guò)程中引入的位錯(cuò)，其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原生位錯(cuò)。原生缺陷（層錯(cuò)）-又稱面缺陷或體缺陷，層錯(cuò)與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，經(jīng)常發(fā)生在晶體生長(zhǎng)的過(guò)程中

7、。滑移就是一種層錯(cuò)，沿著晶體平面產(chǎn)生的晶體滑移。層錯(cuò)要么終止于晶體的邊緣，要么終止于位錯(cuò)線。 一、晶體整形- 用鋸截掉頭和尾整形研磨二、徑向研磨-在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，整個(gè)晶體長(zhǎng)度中直徑是有偏差的。滾磨到所需的直徑。三、化學(xué)腐蝕-滾磨后，單晶體表面存在嚴(yán)重的機(jī)械損傷，需要用化學(xué)腐蝕的方法加以除去。化學(xué)腐蝕減薄，通常采用混酸腐蝕液，如，用一定配比的氫氟酸、硝酸和醋酸等定位邊研磨徑向研磨去掉兩端晶體定向-硅片定位邊或定位槽，傳統(tǒng)上用定位邊來(lái)表明導(dǎo)電（摻雜）類型和晶向，在美國(guó)200mm及以上硅片的定位邊已被定位槽所代替一、平行光衍射是把需要定向的晶面經(jīng)過(guò)腐蝕或拋光等處理，使晶面上出現(xiàn)許多小平面圍成的，并

8、與晶面具有一定關(guān)系的小腐蝕坑，再利用這些小腐蝕坑的宏觀對(duì)稱性，對(duì)正入射的平行光所反映出不同的光象，來(lái)確定對(duì)應(yīng)的晶向。主要用于硅、鍺、砷化鎵等直拉單晶和區(qū)熔法單晶的晶面的定向，但準(zhǔn)確度不如X射線衍射法。二、X射線衍射法定向準(zhǔn)確，能與自動(dòng)切片機(jī)配合進(jìn)行自動(dòng)定向切片，并能測(cè)出晶向偏離數(shù)值，也可用來(lái)檢驗(yàn)平行光衍射法所切割的晶向偏離量，但設(shè)備復(fù)雜。晶圓切片-用有金剛石涂層的內(nèi)圓刀片把晶圓從晶體上切下來(lái)。磨邊倒角-因?yàn)橛脵C(jī)械的方法加工的晶片是非常粗造的，它不可能直接使用，所以必須去除切片工藝殘留的表面損傷。內(nèi)圓切割機(jī)刻蝕拋光-刻蝕：用化學(xué)刻蝕的方法，腐蝕掉硅片表面約20微米的表層，消除硅片表面的損傷將硝酸 (水中濃度79% ), 氫氟酸(水中濃度49%),和純醋酸 依照4:1:3 比例混合.化學(xué)反應(yīng)式: 3 Si + 4HNO3 + 6 HF 3H2SiF6 +4 NO + 8H2O-拋光：機(jī)械研磨、化學(xué)作用使表面平坦移除晶圓表面的缺陷檢查包裝-檢查按照客戶要求規(guī)范來(lái)檢查是否達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)物理尺寸：直徑厚度晶向位置定位邊硅片變形平整度：通過(guò)硅片的直線上的厚度變化微粗糙度：實(shí)際表面同規(guī)定平面的小數(shù)值范圍反映硅片表面最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的高度差粗糙度用均方根表示氧含量: