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从沙子到晶圆,VQA/ 池 勇 2015.01.04,变,沙子变晶圆，这下发财了！,沙子：硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，这也是半导体制造产业的基础。,从沙子到硅,注：冶金级硅(纯度98%),硅矿冶炼,用碳加热硅石来制备冶金级硅,硅的纯化I,通过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯硅烷,硅的纯化II,利用西门子方法，通过三氯硅烷和氢气反应来生产电子级硅,注：电子级硅(纯度99.9999999%),晶体生长,把多晶块转变成一个大单晶，并给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。 有三种不同的生长方法：直拉法和区熔法,一、直拉法, CZ法（切克劳斯基Czchralski）：把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成N型或P型的固体单晶硅锭。 大部分的单晶都是通过直拉法生长的。生产过程如图所示。,直拉法步骤,引晶(下种) ：籽晶预热10，在多晶硅熔化后，提升坩埚到拉晶位置，使熔硅位于加热器上部。把籽晶下降到液面上方几毫米处，稍等片刻，让溶液温度稳定，籽晶温度升高后，使籽晶与液面接触，这一步通常称为下种。它是能否获得单晶的关键。籽晶、坩埚转速分别为15和8r/min。调节料温，合适温度下，籽晶可长时间与熔体接触，不进一步熔化、也不生长。,收（缩）颈 缩颈是指开始拉晶时，拉一段直径比籽晶略细的部分。缩颈的作用在于避免生成多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。一般来说，快速缩颈对降低位错有一定效果。开始时籽晶提升 ，籽晶慢慢向上提，观察弯月面形状，若合适，开始将籽晶慢慢向上提升，并逐渐增大拉速到3.5mm/min以上，收颈部的直径约为23mm，长度应大于20mm。 细而长的颈部有利于抑制位错从籽晶向颈部以下晶体延伸。,直拉法步骤,放肩-收颈到所要求长度（大于十毫米）后，略降低温度，降低15-40，拉速0.4mm/min让晶体逐渐长大到所需直径，尽可能长成平肩此过程称放肩。,收肩-当肩部直径约比需要的单晶小3-5mm时，拉速调至2.5mm /min，同时坩埚自动跟踪， 让熔硅液始终保持在相对固定的位置上。,等径生长-放肩到所需直径后，即可升高温度，使直径保持一定进行生长，这一过程通常称为等径生长。等径生长通常恒定拉速以使直径大小均匀，拉速1.31.5 mm /min，生产中大多采用自动控制等径生长 。,收尾-等径生长后往往拉成一个锥形尾部，以减少位错的产生与攀移。当料剩1.5Kg左右时停止坩埚跟踪，选取等径生长最后两小时的平均拉速，逐渐升温，使尾部成为锥形。料要拉完，否则冷却时，剩料会使坩埚破裂。,二、区熔法,-把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里，固定籽晶的一端然后放进生长炉中，用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域，调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同,主要用来生长高纯、高阻、长寿命、低氧、低碳含量的晶体，但不能生长大直径的单晶，并且晶体有较高的位错密度。这种工艺生长的低氧单晶主要使用在高功率的晶闸管和整流器上,两种方法的比较,查克洛斯基法是较常用的方法 价格便宜 较大的晶圆尺寸 (直径300mm ) 晶体碎片和多晶态硅再利用 区熔法 纯度较高(不用坩埚) 价格较高, 晶圆尺寸较小 (150 mm) 分离式功率组件,-产生于晶体生长和后面的硅锭(生长后的单晶硅）和硅片的各项工艺中。 在硅中主要普遍存在的缺陷形式有：点缺陷、位错和原生缺陷（层错）,晶体缺陷,点缺陷,-晶体内杂质原子的挤压晶体结构引起的应力所产生的缺陷. 最常见的点缺陷是空位缺陷、间隙原子缺陷和弗仑克尔缺陷,空位缺陷：在晶格位置缺失一个原子 间隙原子缺陷：一个原子不在晶格位置上，而是处在晶格位置之间 弗仑克尔缺陷：填隙原子是原子脱离附近晶格的位置形成的，并在原晶格位置处留下一个空位，这种空位和填隙的组合称为弗仑克尔缺陷,位错,晶体缺陷,晶内部一组晶胞排错位置所制。在这种缺陷中，一列额外的原子被插入到另外两列原子之间。分为原生为错和诱生为错。 a.原生位错是晶体中固有的位错 b.诱生位错是指在芯片加工过程中引入的位错，其数量远远大于原生位错。,原生缺陷（层错）,-又称面缺陷或体缺陷，层错与晶体结构有关，经常发生在晶体生长的过程中。滑移就是一种层错，沿着晶体平面产生的晶体滑移。层错要么终止于晶体的边缘，要么终止于位错线。,一、晶体整形 - 用锯截掉头和尾,整形研磨,二、径向研磨 -在晶体生长过程中，整个晶体长度中直径是有偏差的。滚磨到所需的直径。,三、化学腐蚀 -滚磨后，单晶体表面存在严重的机械损伤，需要用化学腐蚀的方法加以除去。 化学腐蚀减薄，通常采用混酸腐蚀液，如，用一定配比的氢氟酸、硝酸和醋酸等,晶体定向,-硅片定位边或定位槽，传统上用定位边来表明导电（掺杂）类型和晶向，在美国200mm及以上硅片的定位边已被定位槽所代替,一、平行光衍射 是把需要定向的晶面经过腐蚀或抛光等处理，使晶面上出现许多小平面围成的，并与晶面具有一定关系的小腐蚀坑，再利用这些小腐蚀坑的宏观对称性，对正入射的平行光所反映出不同的光象，来确定对应的晶向。 主要用于硅、锗、砷化镓等直拉单晶和区熔法单晶的晶面的定向，但准确度不如X射线衍射法。,二、X射线衍射法 定向准确，能与自动切片机配合进行自动定向切片，并能测出晶向偏离数值，也可用来检验平行光衍射法所切割的晶向偏离量，但设备复杂。,晶圆切片,-用有金刚石涂层的内圆刀片把晶圆从晶体上切下来。,磨边倒角,-因为用机械的方法加工的晶片是非常粗造的，它不可能直接使用，所以必须去除切片工艺残留的表面损伤。,刻蚀抛光,-刻蚀：用化学刻蚀的方法，腐蚀掉硅片表面约20微米的表层，消除硅片表面的损伤 将硝酸 (水中浓度79% ), 氢氟酸(水中浓度49%),和纯醋酸 依照4:1:3 比例混合. 化学反应式: 3 Si + 4HNO3 + 6 HF 3H2SiF6 +4 NO + 8H2O -抛光：机械研磨、化学作用使表面平坦 移除晶圆表面的缺陷,检查包装,-检查 按照客户要求规范来检查是否达到质量标准 物理尺寸：直径厚度晶向位置定位边硅片变形 平整度：通过硅片的直线上的厚度变化 微粗糙度：实际表面同规定平面的小数值范围反映硅片表面最高点和最低点的高度差 粗糙度用均方根表示 氧含量: 少量且均匀很重要通过横