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硅片的制造工艺 杨晓玲2014年12月26日 直拉法与区熔法的区别 PAGE2 单晶硅的制备方法 为了制备性能良好的单晶硅 在生产实践中 人们通过不断探索 发现和完善了单晶硅生长技术 从熔体中生长单晶所用直拉法和区熔法 是当前生产单晶硅的主要方法 这两种方法制备的单晶硅具有不同的特性和不同的器件应用领域 区熔单晶硅主要应用于大功率器件方面 而直拉单晶硅主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面 是单晶硅的主体 PAGE3 区熔法 1953年P H keck等人用来提纯半导体硅 1952年W G Pfann提出 PAGE4 区熔法生长单晶硅锭是把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里 一个籽晶固定到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 加热多晶硅棒是区熔法最主要的部分 因为在熔融晶棒的单晶界面再次凝固之前只有30分钟的时间 晶体生长中的加热过程沿着晶棒的轴向移动 FZ 区熔 法生长单晶 FloatingZoneMethod PAGE5 区熔法的特点 区熔法不使用坩埚 污染少 经区熔提纯后生长的硅单晶纯度较高 含氧量和含碳量低 高阻硅单晶一般用此法生长 目前区熔单晶应用范围较窄 不及直拉工艺成熟 1 2 PAGE6 CZ原理及工艺 CZ基本原理 用直拉法制备单晶硅时 把高纯多晶硅放入高纯石英坩埚 在硅单晶炉内熔化 然后用一根固定在籽晶轴上的籽晶插入熔体表面 待籽晶与熔体熔和后 慢慢向上拉籽晶 晶体便在籽晶下端生长 PAGE7 CZ法生长单晶硅是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型的固体硅 一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭 生长的单晶硅锭就像籽晶的复制品 拉晶 CZ 直拉 法生长单晶 PAGE8 CZ法与FZ法比较 CZ法 成本低可做大尺寸晶锭材料可重复使用更受欢迎 FZ法 单晶纯度高 无坩埚 成本高 小尺寸晶锭主要用在功率器件 PAGE9 CZ各生产环节 单晶基本作业流程 拆炉 清扫 安装热场 装料 化料 收尾 等径 放肩 转肩 引晶 稳定 冷却 PAGE10 拆炉 目的取出晶体清除炉腔内的挥发物清除电极及加热器保温罩等石墨件上的杂物 PAGE11 二 装炉 装炉前的准备 一般把坩埚放入经过清洁处理的单晶炉后 再装多晶硅 用万分之一光学天平称好掺杂剂 放入清洁的小塑料袋中 擦完后 把籽晶轴 坩埚轴升到较高位置 最后用高压空气吹洗保温罩 加热器 石墨托碗 用尼龙布 也可以用毛巾 沾无水乙醇擦干净炉壁 坩埚轴和籽晶轴 打开炉门 取出上次拉的单晶硅 卸下籽晶夹 取出用过的石英坩埚 取出保温罩和石墨托碗 用毛刷把上面的附着物刷干净 PAGE12 装料 装料基本步骤 底部铺碎料 大块料铺一层 用边角或小块料填缝 装一些大一点的料 最上面的料和坩埚点接触 防止挂边 严禁出现大块料挤坩埚情况 PAGE13 按要求正确装料 重要注意事项 石英坩埚轻拿轻放 严禁碰伤 玷污 领料正确 掺杂准确 液面以下面接触 以上点接触 原料严禁和其他物体接触 尤其金属和有机物 装料注意事项 PAGE14 装炉 腐蚀好的籽晶装入籽晶夹头 籽晶一定要装正 装牢 否则 晶体生长方向会偏离要求晶向 也可能拉晶时籽晶脱落 发生事故 将清理干净的石墨器件装入单晶炉 调整石墨器件位置 使加热器 保温罩 石墨托碗保持同心 调节石墨托碗 使它与加热器上缘水平 记下位置 然后把装好的籽晶夹头和防渣罩一起装在籽晶轴上 PAGE15 将称好的掺杂剂放入装有多晶硅石英坩埚中 每次放法要一样 再将石英坩埚放在石墨托碗里 转动坩埚轴 检查坩埚是否放正 单晶硅块放的是否牢固 一切正常后 坩埚降到熔硅位置 在单晶炉内装多晶硅时 先将石英坩埚放入托碗 然后可按装多晶步骤往石英坩埚内放多晶块 多晶硅装完后 用塑料布将坩埚盖好 再把防渣罩和装好籽晶的夹头装在籽晶轴上 PAGE16 一切工作准确无误后 PAGE17 抽真空 化料 按要求正确抽真空 化料 重要注意事项 保持O形密封圈洁净 正确顺序开泵 阀门 开阀门速度不能太快 化料过程多观察 防止挂边和架桥 PAGE18 熔硅 开启加热功率按钮 使加热功率分2 3次 大约半个小时 升到熔硅的最高温度 约1500 PAGE19 引晶 引晶的主要作用是为了消除位错 全自动单晶炉采用自动引晶 如果特殊情况需要手动引晶 则要求 细晶长度大于150mm 直径4mm左右 拉速2 5mm min PAGE20 缩颈 缩颈是为了排除引出单晶中的错位 目的 下种时 由于籽晶和熔硅温差大 高温的熔硅对籽晶造成强烈的热冲击 籽晶头部产生大量位错 通过缩颈 使晶体在生长中位错 缩掉 成为无位错单晶 将籽晶快速提升 缩小结晶直径 PAGE21 缩颈方法 PAGE22 放肩 放平肩的特点主要是控制单晶生长速度 熔体温度较低 放肩时 拉度很慢 拉速可以是零 当单晶将要长大到规定直径时升温 一旦单晶长到规定直径 突然提高拉晶速度进行转肩 使肩近似直角 进入等直径生长 PAGE23 转肩 转肩的作用是控制直径 使晶体由横向生长变向纵向生长 全自动单晶炉采用自动转肩 如果发生自动转肩没有转过来的情况 手动转肩到预定直径 转肩过程注意控制直径大小 PAGE24 等径 稳定生长速度 使晶体硅直径保持不变 等径过程是晶体生长的主要阶段 PAGE25 等径 需要观察的是 PAGE26 收尾 收尾一般采用提高拉速和增加温度相结合的工艺 收尾过程严格按照作业指导书规定的工艺进行 加快提升速度 同时升高熔硅温度 使晶体硅直径不断缩小 形成一个圆锥形 最终离开液面 PAGE27 收尾的作用 收尾的作用是在长晶的最后阶段防止热冲击造成单晶等径部分出现滑移线而进行的逐步缩小直径过程 单晶棒 右端锥形为收尾的形状 PAGE28 停炉 单晶提起后 马上停止坩埚转动和籽晶轴转动 加热功率降到零位 PAGE29 PAGE30 CZ基本工艺 现有的CZ都采用氩气气氛减压拉晶 利用通入惰性气体氩气 结合真空泵的抽气 形成一个减压气氛下的氩气流动 氩气流带走高温熔融硅挥发的氧化物 以防止氧化物颗粒掉进硅熔液 进而运动到固液界面 破坏单晶原子排列的一致性 减压气氛的压力一般为12 20Torr 氩气的流量为45 80slpm 拉晶过程中的保护气流 减压拉晶 CZ过程需要惰性气体保护 PAGE31 单晶炉提供减压气氛保护 机械运动和自动控制系统 减压气氛保护 通过上炉筒 副室 炉盖 主炉室和下炉室形成减压气氛保持系统 机械运动 通过提拉头和坩埚运动系统提供晶转 晶升 埚转 埚升系统 自动控制系统通过相机测径 测温孔测温 自动柜控制组成单晶拉制自动控制系统 PAGE32 单晶炉 热场构造及自动控制 1提拉头 晶升 晶转系统 磁流体系统等 2上炉筒 提供晶棒上升空间 3副室 提肩装籽晶掺杂等的操作空间 4炉盖 主炉室向副室的缩径 5主炉室 提供热场和硅熔液的空间 单晶炉结构 PAGE33 单晶炉 热场构造及自动控制 6 7下炉室 提供排气口和电极穿孔等 8上炉筒提升系统 液压装置 用于上炉筒提升 9梯子 攀登炉顶 检查维修提拉头等 10观察窗 观察炉内的实际拉晶状态 单晶炉结构 PAGE34 11测温孔 测量对应的保温筒外的温度 12排气口 氩气的出口 连接真空泵 13坩埚升降系统 坩埚升降旋转系统等 14冷却水管组 提供冷却水的分配 PAGE35 报警灯 异常情况时发出声光报警 主操作屏 主要操作在此进行 状态指示面板 各电磁阀状态 手动按钮 手动机械提升操作 CCD图像 相机的图像及取样范围 控制柜简介 PAGE36 Flat与Notch的区别 PAGE37 晶向非常重要 因为它决定了在硅片中晶体结构的物理排列是怎样的 不同晶向的硅片的化学 电学和机械性质都不一样 这会影响工艺条件和最终的器件性能 如果晶体是单晶结构 那么所有的晶胞就都会沿着这个坐标轴重复地排列 晶向 晶胞的坐标轴方向 PAGE38 硅晶体平面上的方向由一套称做密勒指数的参数所描 在密勒系统的符号里 小括号 用来表示特殊的平面 而尖括号 表示对应的方向 100 PAGE39 对于硅晶体来说 晶胞和金刚石晶体结构的面心立方结构晶胞不同 除了面心立方所具有的那些共有原子之外 还包括完全位于立方结构中的4个原子 对于硅晶胞来说 总共有8个完整原子 其中4个共有原子和4个非共有原子 面心立方金刚石结构 硅晶胞 PAGE40 双极集成电路衬底通常为 111 晶面或 100 晶面的硅片 半导体集成电路是在低指数面的半导体衬底上制作的 MOS集成电路衬底通常为 100 晶面的硅片 PAGE41 100 OrientationPlane PAGE42 100 WaferEtchPits PAGE43 111 PAGE44 111 OrientationPlane PAGE45 111 WaferEtchPits PAGE46 晶向测定的方法 光图定向法是根据晶体表面腐蚀坑中显露的 111 晶面对平行入射光反射所形成的特征图样来判断或测定表面晶向的 PAGE47 硅片的晶向是指与硅片表面垂直的方向 硅片的晶向 如 N硅片 其与硅片表面垂直的晶向就晶向 定位边只是一种标识 是一种行业的规定 用来表示该硅片是那种类型 P型或N型 及其晶向的 本身的方向与硅片晶向无关 PAGE48 半导体业界传统上在硅单晶锭上做一个定位边来标明晶体结构和硅片的晶向 主定位边标明了晶体结构的晶向 还有一个次定位边标明硅片的晶向和导电类型 硅片定位边或定位槽 PAGE49 硅片定位边或定位槽 识别硅片晶向和导电类型的标志