从沙子到晶圆市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx

从沙子到晶圆从沙子到晶圆VQA/池 勇.01.04第1页沙子变晶圆，这下发财了！第2页沙子沙子：硅是地壳内第二丰富元素，而脱氧后沙子脱氧后沙子(尤其是石英尤其是石英)最多包含最多包含2525硅元素硅元素，以二氧化硅二氧化硅(SiO2)(SiO2)形式存在，这也是半导体制造产业基础。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第3页硅纯化I经过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯硅烷硅纯化II利用西门子方法，经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%)第4页晶体生长把多晶块转变成一个大单晶，并给予正确定向和适量N型或P型掺杂，叫做晶体生长。有三种不一样生长方法：直拉法和区熔法一、直拉法 CZ法（切克劳斯基Czchralski）：把熔化了半导体级硅液体变为有正确晶向而且被掺杂成N型或P型固体单晶硅锭。大部分单晶都是经过直拉法生长。生产过程如图所表示。第5页直拉法步骤引晶(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。它是能否取得单晶关键。籽晶、坩埚转速分别为15和8r/min。调整料温，适当温度下，籽晶可长时间与熔体接触，不深入熔化、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部分。缩颈作用在于防止生成多晶和尽可能消除籽晶内原有位错延伸。普通来说，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，若适当，开始将籽晶慢慢向上提升，并逐步增大拉速到3.5mm/min以上，收颈部直径约为23mm，长度应大于20mm。细而长颈部有利于抑制位错从籽晶向颈部以下晶体延伸。第6页直拉法步骤放肩-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让晶体逐步长大到所需直径，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，让熔硅液一直保持在相对固定位置上。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，生产中大多采取自动控制等径生长。收尾-等径生长后往往拉成一个锥形尾部，以降低位错产生与攀移。当料剩1.5Kg左右时停顿坩埚跟踪，选取等径生长最终两小时平均拉速，逐步升温，使尾部成为锥形。料要拉完，不然冷却时，剩料会使坩埚破裂。第7页二、区熔法-把掺杂好多晶硅棒铸在一个模型里，固定籽晶一端然后放进生长炉中，用射频线圈加热籽晶与硅棒接触区域，调整温度使熔区迟缓地向棒另一端移动，经过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶相同 主要用来生长高纯、高阻、长寿命、低氧、低碳含量晶体，但不能生长大直径单晶，而且晶体有较高位错密度。这种工艺生长低氧单晶主要使用在高功率晶闸管和整流器上第8页两种方法比较查克洛斯基法是较惯用方法价格廉价较大晶圆尺寸(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)分离式功率组件第9页-产生于晶体生长和后面硅锭(生长后单晶硅）和硅片各项工艺中。在硅中主要普遍存在缺点形式有：点缺点、位错和原生缺点（层错）晶体缺点点缺点-晶体内杂质原子挤压晶体结构引发应力所产生缺点.最常见点缺点是空位缺点、间隙原子缺点和弗仑克尔缺点空位缺点：在晶格位置缺失一个原子间隙原子缺点：一个原子不在晶格位置上，而是处于晶格位置之间弗仑克尔缺点：填隙原子是原子脱离附近晶格位置形成，并在原晶格位置处留下一个空位，这种空位和填隙组合称为弗仑克尔缺点第10页位错晶体缺点晶内部一组晶胞排错位置所制。在这种缺点中，一列额外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位错b.诱生位错是指在芯片加工过程中引入位错，其数量远远大于原生位错。原生缺点（层错）-又称面缺点或体缺点，层错与晶体结构相关，经常发生在晶体生长过程中。滑移就是一个层错，沿着晶体平面产生晶体滑移。层错要么终止于晶体边缘，要么终止于位错线。第11页 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。滚磨到所需直径。三、化学腐蚀-滚磨后，单晶体表面存在严重机械损伤，需要用化学腐蚀方法加以除去。化学腐蚀减薄，通常采取混酸腐蚀液，如，用一定配比氢氟酸、硝酸和醋酸等定位边研磨径向研磨去掉两端第12页晶体定向-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及以上硅片定位边已被定位槽所代替一、平行光衍射是把需要定向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，并与晶面含有一定关系小腐蚀坑，再利用这些小腐蚀坑宏观对称性，对正入射平行光所反应出不一样光象，来确定对应晶向。主要用于硅、锗、砷化镓等直拉单晶和区熔法单晶晶面定向，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晶向偏离量，但设备复杂。第13页晶圆切片-用有金刚石涂层内圆刀片把晶圆从晶体上切下来。磨边倒角-因为用机械方法加工晶片是非常粗造，它不可能直接使用，所以必须去除切片工艺残留表面损伤。内圆切割机第14页刻蚀抛光-刻蚀：用化学刻蚀方法，腐蚀掉硅片表面约20微米表层，消除硅片表面损伤将硝酸(水中浓度79%),氢氟酸(水中浓度49%),和纯醋酸 依照4:1:3 百分比混合.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缺点第15页检验包装-检验按照客户要求规范来检验是否到达质量标准物理尺寸：直径厚度晶向位置定位边硅片变形平整度：经过硅片直线上厚度改变微粗糙度：实际表面同要求平面小数值范围反应硅片表面最高点和最低点高度差粗糙度用均方根表示氧含量:少许且均匀很主要经过横断面来检测晶体缺点：1000cm2颗粒0.13个cm2体电阻率:与掺杂浓度紧密相关要求电阻率均匀因沿半径方向存在温度梯度，从圆心向外逐步减小，所以沿径向掺杂浓度不一样用四探针测量-包装：硅片装在片架上，放入充满氮气密封小盒内以免在运输过程中被氧化或沾污第16页第17页