硅片的制造工藝

1、Optical Navigation DivisionAdvanced Wireless Semiconductor Division硅片的制造工藝硅片的制造工藝楊曉玲2014年12月26日Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary直拉法與區(qū)熔法的區(qū)別直拉法與區(qū)熔法的區(qū)別Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential an

2、d Proprietary單晶硅的制備方法單晶硅的制備方法 為了制備性能良好的單晶硅，在生產(chǎn)實(shí)踐中，人們通過不斷探索，發(fā)現(xiàn)和完善了單晶硅生長技術(shù)。從熔體中生長單晶所用直拉法直拉法和區(qū)熔法區(qū)熔法，是當(dāng)前生產(chǎn)單晶硅的主要方法。 這兩種方法制備的單晶硅具有不同的特性和不同的器件應(yīng)用領(lǐng)域，區(qū)熔單晶硅主要應(yīng)用于大功率大功率器件器件方面，而直拉單晶硅主要應(yīng)用于微電子集成電微電子集成電路路和太陽能電池太陽能電池方面，是單晶硅的主體。Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and P

3、roprietary區(qū)熔法區(qū)熔法區(qū)熔法區(qū)熔法又稱Fz法，即懸浮區(qū)熔法1953年 PHkeck等人用來提純半導(dǎo)體硅1952年 WGPfann提出Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary 區(qū)熔法生長單晶硅錠是把摻雜好的多晶硅棒鑄在一個(gè)模型里。一個(gè)籽晶固定到一端然后放進(jìn)生長爐中。用射頻線圈加熱籽晶與硅棒的接觸區(qū)域。加熱多晶硅棒是區(qū)熔法最主要的部分，因?yàn)樵谌廴诰О舻膯尉Ы缑嬖俅文讨爸挥?0分鐘的時(shí)間。晶體生長中的加熱過程沿著晶棒的軸向移動(dòng)。

4、FZ(FZ(區(qū)熔區(qū)熔) )法生長單晶法生長單晶Floating Zone MethodAdvance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary區(qū)熔法區(qū)熔法的特點(diǎn)的特點(diǎn) 區(qū)熔法不使用坩堝，污染少，經(jīng)區(qū)熔提純后生長的硅單晶純度較高，含氧量和含碳量低。高阻硅單晶一般用此法生長。 目前區(qū)熔單晶應(yīng)用范圍較窄，不及直拉工藝成熟。1Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd

5、. Confidential and ProprietaryCZ原理及工藝原理及工藝CZ基本原理基本原理 用直拉法制備單晶硅時(shí)，把高純多晶硅放入高純石英坩堝，在硅單晶爐內(nèi)熔化；然后用一根固定在籽晶軸上的籽晶插入熔體表面，待籽晶與熔體熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶體便在籽晶下端生長。Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and ProprietaryCZ法生長單晶硅是把熔化了的半導(dǎo)體級(jí)硅液體變?yōu)橛姓_晶向并且被摻雜成n型或p型的固體硅。一塊具有所需要晶向的單晶硅作為籽晶來

6、生長硅錠，生長的單晶硅錠就像籽晶的復(fù)制品。拉晶：拉晶：CZ(直拉）法生長單晶直拉）法生長單晶Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and ProprietaryCZ法與法與FZ法比較法比較CZ法：成本低可做大尺寸晶錠材料可重復(fù)使用 更受歡迎FZ法：單晶純度高（無坩堝）成本高、小尺寸晶錠 主要用在功率器件Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential

7、 and ProprietaryCZ各生產(chǎn)環(huán)節(jié)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)單晶基本作業(yè)流程單晶基本作業(yè)流程拆爐、清掃拆爐、清掃安裝熱場安裝熱場裝料裝料化料化料收尾收尾等徑等徑放肩放肩轉(zhuǎn)肩轉(zhuǎn)肩引晶引晶穩(wěn)定穩(wěn)定冷卻冷卻Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary拆爐拆爐目的目的1. 取出晶體取出晶體2. 清除爐腔內(nèi)的揮發(fā)物清除爐腔內(nèi)的揮發(fā)物3. 清除電極及加熱器清除電極及加熱器4. 保溫罩等石墨件上的雜物保溫罩等石墨件上的雜物附著物 石英碎片 石墨顆粒 石墨氈塵埃

8、Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary二、二、裝爐裝爐裝爐裝爐前的準(zhǔn)備前的準(zhǔn)備一般把坩堝放入經(jīng)過清潔處理的單晶爐后，再裝多晶硅。用萬分之一光學(xué)天平稱好摻雜劑，放入清潔的小塑料袋中。擦完后，把籽晶軸、坩堝軸升到較高位置，最后用高壓空氣吹洗保溫罩、加熱器、石墨托碗。用尼龍布（也可以用毛巾）沾無水乙醇擦干凈爐壁、坩堝軸和籽晶軸。打開爐門，取出上次拉的單晶硅，卸下籽晶夾，取出用過的石英坩堝，取出保溫罩和石墨托碗，用毛刷把上面的附著物刷干凈。Ad

9、vance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary裝料裝料裝料基本步驟裝料基本步驟底部鋪碎料大塊料鋪一層用邊角或小塊料填縫裝一些大一點(diǎn)的料最上面的料和坩堝點(diǎn)接觸，防止掛邊嚴(yán)禁出現(xiàn)大塊料擠坩堝情況Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary 按要求正確裝料。重要注意事項(xiàng)： 石英坩堝輕拿輕放。嚴(yán)禁碰傷、玷

10、污； 領(lǐng)料正確，摻雜準(zhǔn)確； 液面以下面接觸、以上點(diǎn)接觸； 原料嚴(yán)禁和其他物體接觸，尤其金屬和有機(jī)物。 裝料注意事項(xiàng)裝料注意事項(xiàng) Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary裝爐裝爐腐蝕好的籽晶裝入籽晶夾頭。籽晶一定要裝正，裝牢。否則，晶體生長方向會(huì)偏離要求晶向，也可能拉晶時(shí)籽晶脫落、發(fā)生事故。將清理干凈的石墨器件裝入單晶爐。調(diào)整石墨器件位置，使加熱器、保溫罩、石墨托碗保持同心，調(diào)節(jié)石墨托碗，使它與加熱器上緣水平，記下位置，然后把裝好的籽晶夾頭

11、和防渣罩一起裝在籽晶軸上。Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary將稱好的摻雜劑放入裝有多晶硅石英坩堝中（每次放法要一樣），再將石英坩堝放在石墨托碗里。轉(zhuǎn)動(dòng)坩堝軸，檢查坩堝是否放正，單晶硅塊放的是否牢固，一切正常后，坩堝降到熔硅位置在單晶爐內(nèi)裝多晶硅時(shí)，先將石英坩堝放入托碗，然后可按裝多晶步驟往石英坩堝內(nèi)放多晶塊，多晶硅裝完后，用塑料布將坩堝蓋好，再把防渣罩和裝好籽晶的夾頭裝在籽晶軸上。Advance Wireless Semicondu

12、ctor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary一切工作準(zhǔn)確無誤后一切工作準(zhǔn)確無誤后關(guān)好爐門開動(dòng)機(jī)械泵低真空閥門抽真空打開冷卻水開啟擴(kuò)散泵打開高真空閥加熱熔硅爐內(nèi)真空5X10-1乇時(shí)爐內(nèi)真空升到1X10-3乇時(shí)Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary抽真空、化料抽真空、化料 按要求正確抽真空、化料。重要注意事項(xiàng)： 保持O形密封圈潔凈； 正確順

13、序開泵、閥門； 開閥門速度不能太快； 化料過程多觀察，防止掛邊和架橋。Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary熔硅熔硅 開啟加熱功率按鈕，使加熱功率分2-3次（大約半個(gè)小時(shí)）升到熔硅的最高溫度（約1500）。Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary引晶引晶 引晶的主要作用是引晶的主要

14、作用是為了消除位錯(cuò)。全自動(dòng)為了消除位錯(cuò)。全自動(dòng)單晶爐采用自動(dòng)引晶。單晶爐采用自動(dòng)引晶。如果特殊情況需要手動(dòng)如果特殊情況需要手動(dòng)引晶，則要求：細(xì)晶長引晶，則要求：細(xì)晶長度大于度大于150mm150mm，直徑直徑4mm4mm左右，拉速左右，拉速2-5mm/min2-5mm/minAdvance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary縮頸縮頸縮頸是為了排除引縮頸是為了排除引出單晶中的錯(cuò)位。出單晶中的錯(cuò)位。目的目的 下種時(shí)，由于籽晶和熔硅溫差大，高溫的熔硅對(duì)籽

15、晶造成強(qiáng)烈的熱沖擊，籽晶頭部產(chǎn)生大量位錯(cuò)，通過縮頸，使晶體在生長中位錯(cuò)“縮掉”，成為無位錯(cuò)單晶。將籽晶快速提升，縮小結(jié)晶直徑。Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary縮頸方法縮頸方法慢縮頸慢縮頸熔體溫度較高生長速度一般為0.82毫米/分快縮頸快縮頸熔體溫度較低生長速度一般為26毫米/分Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confide

16、ntial and Proprietary放肩放肩放平肩的特點(diǎn)主要是控制單晶生長速度，熔體溫度較低。放肩時(shí)，拉度很慢，拉速可以是零，當(dāng)單晶將要長大到規(guī)定直徑時(shí)升溫，一旦單晶長到規(guī)定直徑，突然提高拉晶速度進(jìn)行轉(zhuǎn)肩，使肩近似直角，進(jìn)入等直徑生長。Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary轉(zhuǎn)肩轉(zhuǎn)肩 轉(zhuǎn)肩的作用是控制直徑，使晶體由橫向生長變向縱向生長。 全自動(dòng)單晶爐采用自動(dòng)轉(zhuǎn)肩。如果發(fā)生自動(dòng)轉(zhuǎn)肩沒有轉(zhuǎn)過來的情況，手動(dòng)轉(zhuǎn)肩到預(yù)定直徑。 轉(zhuǎn)肩過程注意控

17、制直徑大??！Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary等徑等徑 穩(wěn)定生長速度，使晶體硅直徑保持不變,等徑過程是晶體生長的主要階段。Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary等徑等徑堝位； 晶棒是否晃動(dòng)；晶棒扭曲；真空狀態(tài)是否正常；各冷卻水是否正常；晶體是否斷棱需要觀察的是：需要觀察的是：

18、Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary收尾收尾收尾一般采用提高拉速和增加溫度相結(jié)合的工藝。收尾過程嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書規(guī)定的工藝進(jìn)行。加快提升速度，同時(shí)升高熔硅溫度，使晶體硅直徑不斷縮小，形成一個(gè)圓錐形，最終離開液面Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary收尾的作用收尾的作用收尾的作

19、用是在長晶的最后階段防止熱沖擊造成單晶等徑部分出現(xiàn)滑移線而進(jìn)行的逐步縮小直徑過程。單晶棒（右端錐形為收尾的形狀）單晶棒（右端錐形為收尾的形狀）Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary停爐停爐 單晶提起后，馬上停止坩堝轉(zhuǎn)動(dòng)和籽晶軸轉(zhuǎn)動(dòng)，加熱功率降到零位。停止加熱電流關(guān)閉低真空閥門關(guān)閉排氣閥門和進(jìn)氣閥門停止真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)閉所有控制開關(guān)晶體冷卻6小時(shí)拆爐取出晶體送檢驗(yàn)部門檢驗(yàn)Advance Wireless Semiconductor Divis

20、ionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and ProprietaryAdvance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and ProprietaryCZ基本工藝基本工藝現(xiàn)有的現(xiàn)有的CZ都采用氬氣氣氛減壓拉晶都采用氬氣氣氛減壓拉晶。利用通入惰性氣體氬氣，結(jié)合真。利用通入惰性氣體氬氣，結(jié)合真空泵的抽氣，形成一個(gè)減壓氣氛下空泵的抽氣，形成一個(gè)減壓氣氛下的氬氣流動(dòng)。氬氣流帶走高溫熔融的氬氣流動(dòng)。氬氣流帶走高溫熔融硅揮發(fā)的氧化物，

21、以防止氧化物顆硅揮發(fā)的氧化物，以防止氧化物顆粒掉進(jìn)硅熔液，進(jìn)而運(yùn)動(dòng)到固液界粒掉進(jìn)硅熔液，進(jìn)而運(yùn)動(dòng)到固液界面，破壞單晶原子排列的一致性。面，破壞單晶原子排列的一致性。減壓氣氛的壓力一般為減壓氣氛的壓力一般為12-20Torr，氬，氬氣的流量為氣的流量為45-80slpm。 拉晶過程中的保護(hù)氣流拉晶過程中的保護(hù)氣流減壓拉晶減壓拉晶 : CZ過程需要惰性氣體保護(hù)！過程需要惰性氣體保護(hù)！Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary單晶爐提供減壓氣氛保

22、護(hù)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)單晶爐提供減壓氣氛保護(hù)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)控制系統(tǒng) 減壓氣氛保護(hù)：減壓氣氛保護(hù)： 通過上爐筒、副室、爐通過上爐筒、副室、爐 蓋、主爐室蓋、主爐室和下爐室形成減壓氣氛和下爐室形成減壓氣氛 保持系統(tǒng)。保持系統(tǒng)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)：機(jī)械運(yùn)動(dòng)： 通過提拉頭和坩堝運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)提供晶通過提拉頭和坩堝運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)提供晶轉(zhuǎn)、晶升、堝轉(zhuǎn)、堝升系統(tǒng)。轉(zhuǎn)、晶升、堝轉(zhuǎn)、堝升系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 通過相機(jī)測(cè)徑、測(cè)溫孔測(cè)溫、自動(dòng)通過相機(jī)測(cè)徑、測(cè)溫孔測(cè)溫、自動(dòng)柜控制組成單晶拉制自動(dòng)控制系統(tǒng)。柜控制組成單晶拉制自動(dòng)控制系統(tǒng)。Advance Wireless Semiconductor DivisionHunte

23、rSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary單晶爐、熱場構(gòu)造及自動(dòng)控制單晶爐、熱場構(gòu)造及自動(dòng)控制1提拉頭：提拉頭： 晶升、晶轉(zhuǎn)系統(tǒng)，磁流體系統(tǒng)等；晶升、晶轉(zhuǎn)系統(tǒng)，磁流體系統(tǒng)等；2上爐筒：上爐筒： 提供晶棒上升空間；提供晶棒上升空間；3副室：副室： 提肩裝籽晶摻雜等的操作空間；提肩裝籽晶摻雜等的操作空間；4爐蓋：爐蓋： 主爐室向副室的縮徑；主爐室向副室的縮徑；5主爐室：主爐室： 提供熱場和硅熔液的空間；提供熱場和硅熔液的空間；單晶爐結(jié)構(gòu)單晶爐結(jié)構(gòu)Advance Wireless Semiconductor DivisionHunt

24、erSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary單晶爐、熱場構(gòu)造及自動(dòng)控制單晶爐、熱場構(gòu)造及自動(dòng)控制6、7下爐室：下爐室： 提供排氣口和電極穿孔等；提供排氣口和電極穿孔等；8上爐筒提升系統(tǒng)：上爐筒提升系統(tǒng)： 液壓裝置，用于上爐筒提升；液壓裝置，用于上爐筒提升；9梯子：梯子： 攀登爐頂，檢查維修提拉頭等；攀登爐頂，檢查維修提拉頭等；10觀察窗：觀察窗： 觀察爐內(nèi)的實(shí)際拉晶狀態(tài)；觀察爐內(nèi)的實(shí)際拉晶狀態(tài)；單晶爐結(jié)構(gòu)單晶爐結(jié)構(gòu)Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electron

25、ics Co., Ltd. Confidential and Proprietary11測(cè)溫孔：測(cè)溫孔： 測(cè)量對(duì)應(yīng)的保溫筒外的溫度；測(cè)量對(duì)應(yīng)的保溫筒外的溫度；12排氣口：排氣口： 氬氣的出口，連接真空泵；氬氣的出口，連接真空泵；13坩堝升降系統(tǒng)：坩堝升降系統(tǒng)： 坩堝升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等；坩堝升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等；14冷卻水管組：冷卻水管組： 提供冷卻水的分配。提供冷卻水的分配。 Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary 報(bào)警燈：報(bào)警燈： 異常情況時(shí)發(fā)

26、出聲光報(bào)警；異常情況時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警； 主操作屏：主操作屏： 主要操作在此進(jìn)行；主要操作在此進(jìn)行； 狀態(tài)指示面板：狀態(tài)指示面板： 各電磁閥狀態(tài)；各電磁閥狀態(tài)； 手動(dòng)按鈕：手動(dòng)按鈕： 手動(dòng)機(jī)械提升操作；手動(dòng)機(jī)械提升操作； CCD圖像：圖像： 相機(jī)的圖像及取樣范圍；相機(jī)的圖像及取樣范圍；控制柜簡介控制柜簡介Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and ProprietaryFlat與與Notch的區(qū)別的區(qū)別Advance Wireless Semiconductor Di

27、visionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary 晶向非常重要，因?yàn)樗鼪Q定了在硅片中晶體結(jié)構(gòu)的物理排列是怎樣的。不同晶向的硅片的化學(xué)、電學(xué)和機(jī)械性質(zhì)都不一樣，這會(huì)影響工藝條件和最終的器件性能。如果晶體是單晶結(jié)構(gòu)，那么所有的晶胞就都會(huì)沿著這個(gè)坐標(biāo)軸重復(fù)地排列。 晶向晶向 晶胞的坐標(biāo)軸方向Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary 硅晶體平面上的方向由一套稱做密

28、密勒指數(shù)勒指數(shù)的參數(shù)所描。在密勒系統(tǒng)的符號(hào)里，小括號(hào)（）用來表示特殊的平面，而尖括號(hào)表示對(duì)應(yīng)的方向。 （100）Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary 對(duì)于硅晶體來說，晶胞和金剛石晶體結(jié)構(gòu)的面心立方結(jié)構(gòu)晶胞不同，除了面心立方所具有的那些共有原子之外，還包括完全位于立方結(jié)構(gòu)中的4個(gè)原子。對(duì)于硅晶胞來說，總共有8個(gè)完整原子，其中4個(gè)共有原子和4個(gè)非共有原子。 面心立方金剛石結(jié)構(gòu)硅晶胞硅晶胞Advance Wireless Semicondu

29、ctor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary雙極集成電路雙極集成電路 襯底通常為(111)晶面或(100)晶面的硅片。半導(dǎo)體集成電路是在低指數(shù)面的半導(dǎo)體襯底上制作的。MOS集成電路集成電路 襯底通常為(100)晶面的硅片Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary（100） Orientation PlaneAdvance Wireless

30、Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary（100） Wafer Etch PitsAdvance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary（111）Advance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary（111） Orientation PlaneAdvance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary（111） Wafer Etch PitsAdvance Wireless Semiconductor DivisionHunterSun Electronics Co., Ltd. Confidential and Proprietary光圖法X射線衍射法晶向測(cè)定的方法 光圖定向法是根據(jù)晶體表面腐蝕坑中顯露的(111)晶面對(duì)平行入射光