第四章-硅片.

1 第四章硅片的生产 2 内容提要 一 硅及氧化硅的基本性质 二 硅片的生产 3 晶体结构晶体是一个固体 是在三维空间含有周期性重复的结构单元 这一个单元可以是一个原子 原始晶胞 也可以是一个大的分子集团 晶格晶体中的原子和分子被缩小到一个点 数学抽象的晶体 晶胞用晶格矢量形成的最小可能的平行六边体称为晶胞 4 常见的立方晶格简单立方 sc 面心立方 fcc 体心立方 bcc 简单立方是一个原始晶胞 a 每一个立方体的角结点处有一个原子b 每个原子有8个相邻晶胞 5 米勒指数a 用晶格矢量a1 a2 a3确定晶面的截距 并用晶格常数的单位a1 a2 a3来表示结果 b 取这组数字的倒数 当截距为无穷大 则倒数为0 在不能得到整数时 取三者的最小公分母相乘 把结果放在圆括号内 hkl 6 Conventions hkl singleplaneorsetofallparallelplanes hkl foraplanethatinterceptsthexaxisonthenegativesideoftheorigin hkl forallplanesofequivalentsymmetry suchas 100 for 100 010 001 100 010 and 001 incubicsymmetry hkl forthedirectionperpendiculartothe hkl plane forafullsetofequivalentdirections 7 硅晶体 首先从一个面心立方开始 然后在每一个开始的结点处由两个原子代替 面心立方金刚石结构 一个原子原位 一个 1 4 1 4 1 4 四面体 8 立方结构 六角形结构隧道效应 9 多晶和单晶结构 10 2硅的来源硅是微电子及微系统技术领域使用的基本材料硅是一种灰色 易碎 四价的非金属化学元素 地壳成分中27 8 是硅元素构成的 其次是氧元素 硅是自然界中最丰富的元素 在石英 玛瑙 燧石和普通的滩石中就可以发现硅元素 硅是建筑材料水泥 砖 和玻璃中的主要成分 如二氧化硅 SiO2 石英 水晶硅酸盐 SiO32 高岭石 黏土等所需要的是高纯度的单晶硅 11 硅的物理性质沸点 oC 2355密度 gm cc 2 32 2 34水溶性 Insoluble熔点 oC 1410外观 气味 Darkbrownpowder noodor 单质硅有晶体硅和无定形硅两种 晶体硅可以分为单晶体和多晶体 晶体硅是灰黑色 有金属光泽 硬而脆的固体 它的结构类似于金刚石 熔点和沸点都很高 硬度也很大 晶体硅还有一个重要的性质 就是它的导电性介于导体和绝缘体之间 是良好的半导体材料 12 常温下 硅的性质可归纳为三反应和三不反应 三反应 氟气 F2 氢氟酸 HF 强碱 NaOH 三不反应 氧气 O2 氯气 Cl2 硝酸 HNO3 硅的化学性质 13 在VLSI中 一万亿个硅原子仅允许含有少于一个的重金属元素 问题 1立方厘米的硅中有多少杂质 密度2330kg m3 14 二氧化硅的结构 SiO2的平面结构 SiO2的立体结构 15 二氧化硅的性质 高温 16 二氧化硅的性质 高温 高温 点燃 高温 讨论 为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞 玻璃中有SiO2 17 水晶晶体与石英玻璃 石英玻璃是用二氧化硅制造的特种工业技术玻璃 是一种非常优良的基础材料 石英玻璃具有一系列优良的物理 化学性能 1 耐高温 石英玻璃的软化点温度约1730度 可在1100度下长时间使用 短时间最高温度可达到1450度 2 耐腐蚀 除氢氟酸外 石英玻璃几乎不与其他酸类物质发生化学反应 其耐酸能力是陶瓷的30倍 不锈钢的150倍 尤其是在高温下的化学稳定性 是其他任何工程材料都无法比拟的 3 热稳定性好 石英玻璃的热膨胀系数极小 能承受剧烈的温度变化 将石英玻璃加热至1100度左右 放入常温水中也不会炸裂 4 透光性能好 石英玻璃在紫外到红外的整个光谱波段都有较好的透光性能 可见光透过率在93 以上 5 电绝缘性能好 石英玻璃的电阻值相当于普通玻璃的一万倍 是极好的电绝缘材料 即使在高温下也具有良好的电性能 18 内容提要 硅及氧化硅的基本性质硅片的生产 19 1 原料 石英砂 在碳作电极的电弧炉中还原含有铁 铝 铜等杂质 用酸溶解 硅的纯度为98 称为 冶金级硅 2 硅的进一步提纯通过分馏进行 纯度10 9 1 电子级硅 多晶硅3 单晶硅的生长 拉单晶 单晶硅的制造 三氯氢硅氢还原法 西门子反应器 20 Czochralski法 CZ法 直拉生长法 Teal于20世纪50年代发明 1918年采用类似方法从熔融金属中拉制细灯丝 21 ingot 质量可达60kg 长度可达3m 22 23 CZ法主要工艺工程 1 籽晶熔接 加大加热功率 使多晶硅完全熔化 并挥发一定时间后 将籽晶下降与液面接近 使籽晶预热几分钟 俗称 烤晶 以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击 2 引晶和缩颈 当温度稳定时 可将籽晶与熔体接触 此时要控制好温度 当籽晶与熔体液面接触 浸润良好时 可开始缓慢提拉 随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶 这一步骤叫 引晶 又称 下种 缩颈 是指在引晶后略为降低温度 提高拉速 拉一段直径比籽晶细的部分 其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸 颈一般要长于20mm 24 3 放肩 缩颈工艺完成后 略降低温度 让晶体逐渐长大到所需的直径为止 这称为 放肩 在放肩时可判别晶体是否是单晶 否则要将其熔掉重新引晶 单晶体外形上的特征 棱的出现可帮助我们判别 方向应有对称三条棱 方向有对称的四条棱 4 等径生长 当晶体直径到达所需尺寸后 提高拉速 使晶体直径不再增大 称为收肩 收肩后保持晶体直径不变 就是等径生长 此时要严格控制温度和拉速不变 5 收尾 随着晶体生长结束 采用稍升温 降拉速 使晶体直径逐渐变小 此过程称为收尾 25 悬浮区法 FZ法 生长极高纯度的单晶硅 样品的熔化部分完全由固体部分支持 不需要坩锅 26 单晶硅片的制作 I 制作过程包括去掉两端 滚磨 切割 研磨 倒角 化学腐蚀 抛光 以及几何尺寸和表面质量检测等工序 27 单晶硅片的制作 II 去掉两端硅锭的两端 籽晶端和非籽晶端 滚磨 径向研磨 将硅单晶棒研磨成具有精确直径的单晶棒 再沿单晶棒的晶轴方向研磨出主 次参考面 切割也称切片 28 单晶硅片的制作 III 研磨也称磨片 在研磨机上 用白刚玉或金刚砂等配制的研磨液将硅片研磨成具有一定厚度和光洁度的工艺 有单面研磨和双面研磨两种方式 29 单晶硅片的制作 IV 倒角为解决硅片边缘碎裂所引起的表面质量下降 以及光刻涂胶和外延的边缘凸起等问题的边缘弧形工艺 倒角方法有磨削 喷砂 化学腐蚀和恰当的抛光等 较普遍采用的是用倒角机以成型的砂轮磨削硅片边缘 直到硅片边缘形状与轮的形状一致为止 30 单晶硅片的制作 V 化学腐蚀也称减薄腐蚀 目的是除去切磨后硅片表面的损伤层和沾污层 改善表面质量和提高表面平整度 31 Ingot两头的锥形末端会被切掉 剩下的就被磨成圆柱体 它的直径就决定了最后的wafers的尺寸 研磨后就没有看得见的晶体方向标志了 晶体的方向是由实验确定的 沿着ingot的某个边会磨出一个平面 被称为定位边 每个从它上面切下来的wafer就会有一个刻面 或flat 这样就明白无误的指出了晶体的方向 硅片的标记 I 32 在200mm及以上的硅片上 定位边已被定位槽所取代 具有定位槽的硅片在硅片上的一小片区域有激光刻上的有关硅片的信息 对于300mm硅片来讲 激光刻印于硅片背面靠近边缘的没有利用到的区域 硅片的标记 II 33 硅片质量的测量 物理尺寸平整度氧含量晶体缺陷颗粒体电阻率 34 薄层电阻 方块电阻 Rs 方块电阻 单位欧姆 35 硅片电阻的测量 Four pointprobe measurementmethod Theoutertwoprobesforceacurrentthroughthesample theinnertwoprobesmeasurethevoltagedrop 36 37 300mmwafer 硅片照片 38 SOI基片 silicononinsulator 绝缘体上硅 a 薄的单晶硅顶层 在其上形成蚀刻电路b 相当薄的绝缘二氧化硅中间层c 非常厚的体型衬底硅衬底层 其主要作用是为上面的两层提供机械支撑 基于SOI结构上的器件将在本质上可以减小结电容和漏电流 提高开关速度 降低功耗 实现高速 低功耗运行 作为下一代硅基集成电路技术 SOI广泛应用于微电子的大多数领域 同时还在光电子 MEMS等其它领域得到应用 39 1 SIMOXSIMOX是注氧隔离技术 SeparationbyImplantedOxygen 的简称 此方法有两个关键步骤 离子注入和退火 在注入过程中 氧离子被注入圆片里 与硅发生反应形成二氧化硅沉淀物 然而注入对圆片造成相当大的损坏 而二氧化硅沉淀物的均匀性也不很好 随后进行的高温 1400 C 退火能帮助修复圆片损坏层并使二氧化硅沉淀物的均匀性保持一致 这时硅片的质量得以恢复而二氧化硅沉淀物所形成的埋层具有良好的绝缘性 SOI制备方法 I 4