從沙子到晶圓市公開課一等獎百校聯(lián)賽獲獎?wù)n件

從沙子到晶圓VQA/池勇.01.04第1頁變沙子變晶圓，這下發(fā)財了！第2頁沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富元素，而脫氧后沙子(尤其是石英)最多包含25％硅元素，以二氧化硅(SiO2)形式存在，這也是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。從沙子到硅注：冶金級硅(純度98%)硅礦冶煉——用碳加熱硅石來制備冶金級硅第3頁硅純化I——經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)將冶金級硅提純以生成三氯硅烷硅純化II——利用西門子方法，經(jīng)過三氯硅烷和氫氣反應(yīng)來生產(chǎn)電子級硅注：電子級硅(純度99.9999999%)第4頁晶體生長——把多晶塊轉(zhuǎn)變成一個大單晶，并給予正確定向和適量N型或P型摻雜，叫做晶體生長。——有三種不一樣生長方法：直拉法和區(qū)熔法一、直拉法——CZ法（切克勞斯基Czchralski）：把熔化了半導(dǎo)體級硅液體變?yōu)橛姓_晶向而且被摻雜成N型或P型固體單晶硅錠。大部分單晶都是經(jīng)過直拉法生長。生產(chǎn)過程如圖所表示。第5頁直拉法步驟引晶(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。它是能否取得單晶關(guān)鍵。籽晶、坩堝轉(zhuǎn)速分別為15和8r/min。調(diào)整料溫，適當(dāng)溫度下，籽晶可長時間與熔體接觸，不深入熔化、也不生長。收（縮）頸縮頸是指開始拉晶時，拉一段直徑比籽晶略細(xì)部分?？s頸作用在于防止生成多晶和盡可能消除籽晶內(nèi)原有位錯延伸。普通來說，快速縮頸對降低位錯有一定效果。開始時籽晶提升，籽晶慢慢向上提，觀察彎月面形狀，若適當(dāng)，開始將籽晶慢慢向上提升，并逐步增大拉速到3.5mm/min以上，收頸部直徑約為2~3mm，長度應(yīng)大于20mm。細(xì)而長頸部有利于抑制位錯從籽晶向頸部以下晶體延伸。第6頁直拉法步驟放肩---收頸到所要求長度（大于十毫米）后，略降低溫度，降低15-40℃，拉速0.4mm/min讓晶體逐步長大到所需直徑，盡可能長成平肩此過程稱放肩。收肩---當(dāng)肩部直徑約比需要單晶小3-5mm時，拉速調(diào)至2.5mm/min，同時坩堝自動跟蹤，讓熔硅液一直保持在相對固定位置上。等徑生長---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，這一過程通常稱為等徑生長。等徑生長通常恒定拉速以使直徑大小均勻，拉速→1.3～1.5mm/min，生產(chǎn)中大多采取自動控制等徑生長。收尾---等徑生長后往往拉成一個錐形尾部，以降低位錯產(chǎn)生與攀移。當(dāng)料剩1.5Kg左右時停頓坩堝跟蹤，選取等徑生長最終兩小時平均拉速，逐步升溫，使尾部成為錐形。料要拉完，不然冷卻時，剩料會使坩堝破裂。第7頁二、區(qū)熔法-----把摻雜好多晶硅棒鑄在一個模型里，固定籽晶一端然后放進(jìn)生長爐中，用射頻線圈加熱籽晶與硅棒接觸區(qū)域，調(diào)整溫度使熔區(qū)遲緩地向棒另一端移動，經(jīng)過整根棒料，生長成一根單晶，晶向與籽晶相同

主要用來生長高純、高阻、長壽命、低氧、低碳含量晶體，但不能生長大直徑單晶，而且晶體有較高位錯密度。這種工藝生長低氧單晶主要使用在高功率晶閘管和整流器上第8頁兩種方法比較查克洛斯基法是較慣用方法價格廉價較大晶圓尺寸(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)價格較高,晶圓尺寸較小(150mm)分離式功率組件第9頁---產(chǎn)生于晶體生長和后面硅錠(生長后單晶硅）和硅片各項(xiàng)工藝中。在硅中主要普遍存在缺點(diǎn)形式有：點(diǎn)缺點(diǎn)、位錯和原生缺點(diǎn)（層錯）晶體缺點(diǎn)點(diǎn)缺點(diǎn)---晶體內(nèi)雜質(zhì)原子擠壓晶體結(jié)構(gòu)引發(fā)應(yīng)力所產(chǎn)生缺點(diǎn).最常見點(diǎn)缺點(diǎn)是空位缺點(diǎn)、間隙原子缺點(diǎn)和弗侖克爾缺點(diǎn)空位缺點(diǎn)：在晶格位置缺失一個原子間隙原子缺點(diǎn)：一個原子不在晶格位置上，而是處于晶格位置之間弗侖克爾缺點(diǎn)：填隙原子是原子脫離附近晶格位置形成，并在原晶格位置處留下一個空位，這種空位和填隙組合稱為弗侖克爾缺點(diǎn)第10頁位錯晶體缺點(diǎn)——晶內(nèi)部一組晶胞排錯位置所制。在這種缺點(diǎn)中，一列額外原子被插入到另外兩列原子之間。分為原生為錯和誘生為錯。a.原生位錯是晶體中固有位錯b.誘生位錯是指在芯片加工過程中引入位錯，其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原生位錯。原生缺點(diǎn)（層錯）---又稱面缺點(diǎn)或體缺點(diǎn)，層錯與晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)，經(jīng)常發(fā)生在晶體生長過程中?；凭褪且粋€層錯，沿著晶體平面產(chǎn)生晶體滑移。層錯要么終止于晶體邊緣，要么終止于位錯線。第11頁一、晶體整形

---用鋸截掉頭和尾整形研磨二、徑向研磨

---在晶體生長過程中，整個晶體長度中直徑是有偏差。滾磨到所需直徑。三、化學(xué)腐蝕

---滾磨后，單晶體表面存在嚴(yán)重機(jī)械損傷，需要用化學(xué)腐蝕方法加以除去。化學(xué)腐蝕減薄，通常采取混酸腐蝕液，如，用一定配比氫氟酸、硝酸和醋酸等定位邊研磨徑向研磨去掉兩端第12頁晶體定向---硅片定位邊或定位槽，傳統(tǒng)上用定位邊來表明導(dǎo)電（摻雜）類型和晶向，在美國200mm及以上硅片定位邊已被定位槽所代替一、平行光衍射是把需要定向晶面經(jīng)過腐蝕或拋光等處理，使晶面上出現(xiàn)許多小平面圍成，并與晶面含有一定關(guān)系小腐蝕坑，再利用這些小腐蝕坑宏觀對稱性，對正入射平行光所反應(yīng)出不一樣光象，來確定對應(yīng)晶向。主要用于硅、鍺、砷化鎵等直拉單晶和區(qū)熔法單晶晶面定向，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，能與自動切片機(jī)配合進(jìn)行自動定向切片，并能測出晶向偏離數(shù)值，也可用來檢驗(yàn)平行光衍射法所切割晶向偏離量，但設(shè)備復(fù)雜。第13頁晶圓切片---用有金剛石涂層內(nèi)圓刀片把晶圓從晶體上切下來。磨邊倒角---因?yàn)橛脵C(jī)械方法加工晶片是非常粗造，它不可能直接使用，所以必須去除切片工藝殘留表面損傷。內(nèi)圓切割機(jī)第14頁刻蝕拋光---刻蝕：用化學(xué)刻蝕方法，腐蝕掉硅片表面約20微米表層，消除硅片表面損傷將硝酸(水中濃度79%),氫氟酸(水中濃度49%),和純醋酸

依照4:1:3百分比混合.化學(xué)反應(yīng)式:3Si+4HNO3+6HF

3H2SiF6+4NO+8H2O---拋光：機(jī)械研磨、化學(xué)作用使表面平坦移除晶圓表面缺點(diǎn)第15頁檢驗(yàn)包裝---檢驗(yàn)按照客戶要求規(guī)范來檢驗(yàn)是否到達(dá)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：經(jīng)過硅片直線上厚度改變微粗糙度：實(shí)際表面同要求平面小數(shù)值范圍．反應(yīng)硅片表面最高點(diǎn)和最低點(diǎn)高度差粗糙度用均方根表示．氧含量:少許且均勻很主要．經(jīng)過橫斷面來檢測．晶體缺點(diǎn)：＜1000