2半导体材料教学课件

1、微电子细微加工技术,电控学院 谷文萍 201008,2,第二章 半导体材料,晶体结构 晶向与晶面 晶体中的缺陷与杂质 单晶硅的制备 晶圆加工,了解并掌握半导体材料的晶体结构、晶向与晶面指数。 了解晶体中的缺陷和杂质种类。 掌握单晶硅的制备、晶圆加工的基本方法。,目的与要求,半导体材料 目前用于制造半导体器件的材料有： 元素半导体（Si Ge） 化合物半导体（GaAs InSb） 本征半导体： 不含任何杂质的纯净半导体，其纯度在99.999999%（810个9）。 掺杂半导体：半导体材料对杂质的敏感性非常强，例如在Si中掺入千万分之一的磷( P )或者硼（B），就会使电阻率降低20万倍。,（一）

2、、晶体的基本知识 长期以来将固体分为：晶体和非晶体。 晶体的基本特点： 具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子（或 离子）在较大的范围内（至少是微米量级）是按一定的方式 有规则的排列而成长程有序。（如Si，Ge，GaAs）,一、晶体结构,晶体又可分为：单晶和多晶。 单晶：指整个晶体主要由原子(或离子)的一种规则排列方式 所贯穿。常用的半导体材料锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓 (GaAs)都是单晶。 多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成的整块材 料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。,非晶（体）的基本特点： 无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范围

3、内存在结构上的有序排列短程有序 （如非晶硅：a-Si）,图2.1 非晶、多晶和单晶示意图,（二）、Si、Ge晶体结构,图2.2(a)画出了由四个共价四面体所组成的一个Si、Ge晶体结构的晶胞，统称为金刚石结构晶胞 整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成 它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一个原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子 金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互平移1/4对角线长度套构而成的 面心立方是指一个正立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子的结构，如图2.2(b)所示,图2.2

4、(a)金刚石结构的晶胞 (b)面心立方,（三）、GaAs晶体结构,具有类似于金刚石结构的硫化锌(ZnS)晶体结构，或称为闪锌矿结构。 GaAs晶体中每个Ga原子和As原子共有一对价电子，形成四个共价键，组成共价四面体。 闪锌矿结构和金刚石结构 的不同之处在于套构成晶 胞的两个面心立方分别是 由两种不同原子组成的。,图2.3 GaAs的闪锌矿结构,晶体是由晶胞周期性重复排列构成的，整个晶体就像网格，称为晶格，组成晶体的原子(或离子)的重心位置称为格点，格点的总体称为点阵。 对半导体Si、Ge和GaAs等具有 金刚石或闪锌矿结构的立方晶 系，通常取某个格点为原点， 再取立方晶胞的三个互相垂直 的边

5、OA,OB,OC为三个坐标轴， 称为晶轴，见图2.4。,图2.4 立方晶系的晶轴,二、晶向与晶面,通过晶格中任意两格点可以作一条直线，而且通过其它格点还可以作出很多条与它彼此平行的直线，而晶格中的所有格点全部位于这一系列相互平行的直线系上，这些直线系称为晶列。,图2.5 两种不同的晶列,晶列的取向称为晶向。 为表示晶向，从一个格点O沿某个晶向到另一格点P作位移矢量R，如图2.6，则 R=l1a+l2b+l3c 若l1:l2:l3不是互质的，通过 l1:l2:l3 m:n:p化为互质整数， mnp就称为晶向指数，写成 mnp，用来表示某个晶向。,图2.6 晶向的表示,晶向指数就是某个晶向矢量在三

6、晶轴上投影的互质整数。 若mnp中有负数，负号写在该指数的上方， mnp和 表示正好相反的晶向。 同类晶向记为 。 例： 代表了100、00、010、00、001、00六个同类晶向；代表了立方晶胞所有空间对角线的8个晶向；而表示立方晶胞所有12个面对角线的晶向,晶格中的所有格点也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，这样的平面系称为晶面族，如图2.7所示。 为表示不同的晶面，在三个晶轴上取某一晶面与三晶轴的截距r、s、t，如图2.8所示。,将晶面与三晶轴的截距r、s、t的倒数的互质整数h、k、l称为晶面指数或密勒指数，记作(hkl)并用来表示某一个晶面 截距为负时，在指数上方加一短横。

7、如果晶面和某个晶轴平行，截距为 ，相应指数为零。 同类型的晶面通常用hkl表示。,图2.9 立方晶系的一些常用晶向和晶面,18,二、晶体中的缺陷和杂质,（一）晶体中的缺陷 （二）晶体中的杂质,晶体中原子或离子的排列偏离完整晶体周期性的区域-晶体缺陷 缺陷分类： 按缺陷的几何构型可分为点缺陷（原子层面的局部缺陷 ）、线缺陷、面缺陷和体缺陷 缺陷影响晶体的电学性能、机械性能等特征,（一） 晶体中的缺陷,电缺陷使电子周期性势场畸变,几何缺陷使原子排列周期性势场畸变,诱生缺陷（二次缺陷） 在器件制备过程中产生的缺陷。常见的有氧化层错、滑移位错和失配位错。,缺陷,原生缺陷 在晶体生长过程中形成的缺陷。有

8、宏观缺陷和微观缺陷，包括：孪晶、裂纹、夹杂、位错、小角度晶界、微缺陷、空位团和微沉积等。,晶体中某些格点上的周期性被破坏。影响晶体的力学、热学、电学、光学等方面的性质。,（一） 晶体中的缺陷,硅中的缺陷从结构上可分为四种,点缺陷 空位、填隙原子等引起的晶格周期性的破坏，发生在一个或几个晶格常数的限度范围内的缺陷。如：空位、填隙原子。 线缺陷 晶格周期性的破坏发生在晶体内部一条线的周围邻近的缺陷。如位错(刃位错、螺旋位错、混合型位错) 面缺陷 原子层的排列发生错误而出现的缺陷。如：层错 微缺陷 缺陷的线度大于点缺陷、而小于线缺陷或面缺陷的缺陷。包括杂质微缺陷和结构微缺陷。,点缺陷存在于晶格的特定

9、位置。图2.10显示了三种点缺陷。 最基本的一种缺陷是空位。这种缺陷当一个原子从其格点位置移动到晶体表面时出现。 另一种点缺陷是间隙原子，它存在于晶体结构的空隙中。当一个原子离开其格点位置并且产生了一个空位时，就会产生间隙原子空位对，或叫Frenkel缺陷。 另一种点缺陷是由于化学元素杂质引入到格点里所产生的。,点缺陷-晶格畸变区域在原子尺寸范围内的一种缺陷（最常见的缺陷形式）,点缺陷,图 2.10,弗仑克尔缺陷：一定温度下，格点原子在平衡位置附近振动，其中某些原子能够获得较大的热运动能量，克服周围原子化学键束缚而挤入晶体原子间的空隙位置，形成间隙原子，原先所处的位置相应成为空位。这种间隙原子

10、和空位成对出现的缺陷称为弗仑克尔缺陷。 肖特基缺陷：由于原子挤入间隙位置需要较大的能量，所以常常是表面附近的原子A和B依靠热运动能量运动到外面新的一层格点位置上，而A和B处的空位由晶体内部原子逐次填充，从而在晶体内部形成空位，而表面则产生新原子层，结果是晶体内部产生空位但没有间隙原子，这种缺陷称为肖特基缺陷。,点缺陷-点缺陷是晶格畸变区域在原子尺寸范围内的一种缺陷（最常见的缺陷形式）,肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷统称点缺陷。 虽然这两种点缺陷同时存在，但由于在Si、Ge中形成间隙原子一般需要较大的能量，所以肖特基缺陷存在的可能性远比弗仑克尔缺陷大，因此Si、Ge中主要的点缺陷是空位,(a) 弗仑克

11、尔缺陷 (b) 肖特基缺陷 图2.10 点缺陷,化合物半导体GaAs中，如果成份偏离正常化学比，也会出现间隙原子和空位。如果Ga成份偏多会造成Ga间隙原子和As空位；As成份偏多会造成As间隙原子和Ga空位。 化学比偏离还可能形成所谓反结构缺陷，如GaAs晶体中As的成份偏多，不仅形成Ga空位，而且As原子还可占据Ga空位，称为反结构缺陷。 此外高能粒子轰击半导体时，也会使原子脱离正常格点位置，形成间隙原子、空位以及空位聚积成的空位团等。,位错（错位的晶胞）是晶体中的最重要的一种线缺陷。 半导体单晶制备和器件生产的许多步骤都在高温下进行，因而在晶体中会产生一定应力。 在应力作用下晶体的一部分原

12、子相对于另一部分原子会沿着某一晶面发生移动，如图2.11(a)所示。这种相对移动称为滑移，在其上产生滑移的晶面称为滑移面，滑移的方向称为滑移向。,线缺陷晶体内部偏离周期性点阵结构的一维缺陷,(a) (b) 图2.11 应力作用下晶体沿某一晶面的滑移,实验表明滑移运动所需应力并不很大，因为参加滑移的所有原子并非整体同时进行相对移动，而是左端原子先发生移动推动相邻原子使其发生移动，然后再逐次推动右端的原子，最终是上下两部分原子整体相对滑移了一个原子间距b，见图1.12(b)。 这时虽然在晶体两侧表面产生小台阶，但由于内部原子都相对移动了一个原子间距，因此晶体内部原子相互排列位置并没有发生畸变。 在

13、上述逐级滑移中会因为应力变小而使滑移中途中止，就出现了图2.12(a)所示的情况。 如果中途应力变小使滑移中止，滑移的最前端原子面AEFD左侧原子都完成了一个原子间距的移动，而右侧原子都没有移动，其结果是好像有一个多余的半晶面AEFD插在晶体中，见图2.12(b)。,在AD线周围晶格产生畸变，而距AD线较远处似乎没有影响，原子仍然规则排列，这种缺陷称为位错，它是一种发生在AD线附近的线缺陷，AD线称为位错线。 图2.12中滑移方向BA与位错线AD垂直，称为棱位错。因为它有一个多余的半晶面AEFD像刀一样插入晶体，也称刃形位错,(a) (b) 图2.12 刃型位错,图2.13所示的称为螺旋位错的

14、滑移是沿BC方向，而原子移动沿BA方向传递，位错线AD和滑移方向平行。与刃型位错不同的是，这时晶体中与位错线AD垂直的晶面族不再是一个个平行面，而是相互连接、延续不断并形成一个整体的螺旋面。,图2.13螺旋位错,半导体中往往包含很多彼此平行的位错线，它们一般从晶体一端沿伸到另一端，与表面相交。,半导体中还存在面缺陷（层错（晶体结构的缺陷）和体缺陷（包裹体） 由于堆积次序发生错乱形成的缺陷叫做堆垛层错简称层错 Si晶体中常见的层错有外延层错和热氧化层错。 掺入杂质超过晶体的固溶度时，杂质将在晶体中沉积，形成体缺陷。,杂质和缺陷的存在有可能在禁带中引入容许电子具有的能量状态从而改变半导体的性质 1

15、、施主杂质（n型杂质）：在晶体中电离时能释放电子而产生导电电子并形成正电中心的杂质 2、受主杂质（p型杂质）：在晶体中电离时能接受电子而产生导电空穴并形成负电中心的杂质,（二） 晶体中的杂质,2.14 硅中的施主杂质和受主杂质 a）硅中掺入磷原子 b）硅中掺入硼原子,n型半导体:在纯净的本征半导体材料中掺入施主杂质后，施主杂质电离放出大量能导电的电子，使这种半导体的电子浓度n大于空穴浓度p，把这种主要依靠电子导电的半导体称为N型半导体，如图2.14a所示。 p 型半导体：在纯净的本征半导体材料中掺入受主杂质后，受主杂质电离放出大量能导电的空穴，使这种半导体的空穴浓度p大于电子浓度n，把这种主要

16、依靠空穴导电的半导体称为P 型半导体，如图2.14b所示。,杂质半导体,1. N型半导体,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很

17、容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,N型半导体,多余电子,磷原子,2. P型半导体,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,P型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补

18、，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。,空穴,P型半导体,硼原子,总 结,1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,原生缺陷和杂质对硅材料的影响,1. 影响材料的力学特性。 2. 影响载流子的输运或杂质的扩散行为。 3. 有害杂质与加工工艺中产生的诱生缺陷密切相关，缺陷的存在有利于吸收杂质。,原生缺陷和有害杂质的抑制,1、生长过程的质量控制 2、

19、后续处理（吸除技术）,注意：吸除技术是单晶质量达不到器件要求时的一种补救措施，是单晶质量进一步的完善过程，但并不说明微电子器件对材料质量的要求降低。,半导体材料的晶体结构、晶向与晶面指数。 晶体中的缺陷和杂质种类。,小结,作业2,P28 2.1 2.2 2.3,45,第二章 半导体材料,晶体结构 晶向与晶面 晶体中的缺陷与杂质 单晶硅的制备 晶圆加工,46,三、单晶硅的制备,（一）多晶硅的制备 （二）生长单晶硅 （三）单晶硅性能测试,掌握单晶硅的制备、晶圆加工的基本方法。,目的与要求,（一） 多晶硅制备,1、提取粗硅 2、高温氯化 3、提纯三氯氢硅 4、提取高纯度硅,（二） 生长单晶硅,生长方

20、法演变： 1952年直拉法培育单晶硅成功 1953年无坩埚区域熔化法（FZ）：既可以进行物理提纯又能拉制单晶 1955年开始采用锌还原四氯化硅法生产纯硅 1956年研究氢还原三氯氢硅法 60年代硅外延生长单晶技术和硅平面工艺出现,硅单晶的制备方法拉制硅单晶棒： 1.柴氏拉晶法（也称为切克劳斯基生长法或CZ法）85% 2.悬浮区熔法（也称为FZ法）,目前主要的制备方法,直拉法 vs 区熔法,直拉法，更为常用(占85以上) 便宜 更大的圆片尺寸(300mm已生产) 剩余原材料可重复使用 位错密度：0104cm2 区熔法 高纯度的硅单晶(不使用坩锅)（电阻率2000W-mm） 成本高，可生产圆片尺寸

21、较小(150mm) 主要用于功率器件 位错密度：103105cm2,基本原理,通过将多晶硅在真空或惰性气体保护下加热，使多晶硅熔化，然后利用籽晶来拉制单晶硅。单晶生长过程实际上是液相固相的转化过程。 该转化过程实现的条件：液相固相界面附近存在温度梯度(dT/dt)。,1 在转化的过程中，界面附近区域中存在着由界面结晶硅的热流密度J1和由熔硅界面的热流密度J2；,说明:,直拉法,2 随着晶体生长，一部分熔硅转化为晶体，使液面不断下降。,3 为了形成N型或P型衬底材料，拉晶过程中可加入掺杂剂。,两者之差为界面区单位时间内释放的潜能E(即E=J1-J2)；,CZ 拉单晶炉,CZ 拉单晶炉,1. 单晶

22、炉,四部分：炉体，机械传动系，加热温控系统，气体传送系统,炉体：炉腔，籽晶轴，石英坩埚，掺杂勺，籽晶罩，观察窗,P18,（1）、准备工作（籽晶的选择、清洗及掺杂） （2）、装炉（抽真空、充气及检测） （3）、加热熔硅 （4）、拉晶 拉晶过程分为以下五个步骤： 引晶（下种）细颈（缩颈）放肩等径生长收尾（拉光）,2. 生长过程（P19）,拉晶过程(示意图),直拉法生长单晶过程示意图,多晶硅,1、引晶：预热、接触（温度的选择） 2、缩颈：籽晶轴以一定的速度旋转；同时坩埚反方向旋转。为了抑制位错向下延伸；通过增加提拉速度来实现。（拉速） 3、放肩：减速，降温 4、等径生长：升温，保持液面在温度场中的位

23、置不变；坩埚必须自动跟随液面下降而上升；同时拉晶速度能自动调节以保持等径生长。 5、收尾：升温，提速,P19,用 CZ 法生长的硅锭,Wafer产量比较,直径增加，技术难度增加，但由于大直径芯片产量大、效率高，因此是目前的发展热点。,CZ法拉单晶的特点,优点是工艺成熟，能较好地拉制低位错、大直径、电阻低的硅单晶。 主要用于VLSI 器件的制作； 缺点是难以避免来自石英坩埚和加热装置的杂质污染。 C、O含量较高，高达1018cm-3 原因：熔硅中的C与石英SiO2发生反应生成CO，受热对流影响不易挥发。 存在轴向、径向电阻率的不均匀性。,为了在最后得到所需电阻率的晶体，掺杂材料被加到拉单晶炉的熔

24、体中，晶体生长中最常用的掺杂杂质是生产p型硅的三价硼或者生产n型硅的五价磷。硅中的掺杂浓度范围可以用字母和上标来表示，如下表所示。,（1）、熔体中的对流（晶棒直径越大，对流越强烈） （2）、生长界面形状（固液界面）-通过调整拉晶速度、晶体转动速度和坩埚转动速度就可以调整固液界面形状,3. 生长中存在的问题（P20）,拉制大直径单晶硅的注意事项,熔硅的热对流 (dT/dt引起的热对流；转动引起的热对流) 热对流会使液面出现波纹和起伏，从而造成界面杂质过渡区的不平衡和不稳定，导致单晶径向电阻率不均匀。因此， 一般采用晶体旋转方向与热对流方向相反的方法来抑制。 一氧化碳的挥发 熔硅中的C与石英( S

25、iO2 )坩埚反应生成SiO和CO，两者的挥发受热对流和熔硅外表面氩气的影响变得不稳定，引起液面波动。而采用旋转晶体形成的强迫对流会使CO挥发减少，导致硅单晶中含O量过高。因此，单晶的旋转速度要优化选择。 籽晶承载应力 采用大直径单晶的重力较大，而籽晶的颈部截面积较小。因此，要求单晶的长度应小于2m。,基本原理,将籽晶与多晶硅棒紧粘在一起，利用分段熔融多晶棒，在溶区由籽晶移向多晶硅另一端的过程，使多晶硅转变成单晶硅。,区熔法,悬浮区熔法：多晶硅棒和籽晶粘在一起后竖直固定在区溶炉上、下轴之间。 水平区熔法：多晶硅棒和籽晶粘在一起后水平固定在区溶炉上、下轴之间。,制备方法,区熔法晶体生长,制备过程

26、,将预先处好的多晶硅棒和籽晶粘在一起，竖直固定在区熔炉的上、下轴之间，以高频感应线圈等方法加热。 利用电磁场浮力和熔硅表面的张力与重力的平衡作用，使所产生的熔区能稳定地悬浮在硅棒之间； 在真空或氩气、氢气等气氛下，按照特定的工艺条件，使溶区在硅棒上从头至尾定向移动，如此反复多次，使硅棒沿籽晶长成单晶硅。,悬浮区熔法,C、O含量低（原因：不使用石英坩埚）。 在VFZ(真空下)C、O含量为10141016cm-3； 在MFZ(氩气气氛中)为5101521016cm-3; 直径不及直拉单晶大，区熔法适宜拉制高阻、小直径单晶（硅、锗、砷化镓等）；主要用于高压器件的制作。 在等径、微区电阻率均匀性方面的

27、特性还不够理想；存在轴向、径向电阻率的不均匀性。,区熔单晶的特点(与直拉单晶相比),中子嬗变(掺杂)法-（了解）,中子嬗变法：利用热中子（即低能中子）对高阻单晶进行辐照 ，从而使其电阻率发生改变的方法。,基本原理,利用硅中存在的三种均匀分布的稳定的28Si，29Si，30Si同位素(含量分别为92.21%,4.7%,3.0%)在热中子辐照下发生嬗变反应，生成31Si蜕变后形成稳定的31P，从而使硅单晶中的磷含量增加，形成掺杂。, 解决电阻率均匀性差的问题,用途 主要用来对高阻区熔单晶电阻率的均匀性进行调整。,中子嬗变法的特点,中子辐照会产生大量晶格缺陷，因此中子嬗变掺杂后必须进行退火处理，以消

28、除辐照损伤。 退火条件：750800,13h。 中子辐照不会引起其它杂质，掺杂浓度可由中子通量密度和辐照时间控制（即NP=210-4 t）。 因此，掺杂浓度的控制精度高，可达5%。,反应,30Si（n,） 31Si 29Si（n,） 30Si 28Si（n, ）29Si,31P+ -（半衰期2.62h）,32S+ -（半衰期343.2h）,中子,光子,三种单晶制备方法的比较,请记录,（三） 单晶硅性能测试（P21）,1、物理性能的测试 （1）外观检验 （2）晶向检验 （3）直径的测量（激光扫描法） 2、电气参数测试 （1）导电类型的测试（热探针法） （2）电阻率的测试（直流四探针法） （3）非

29、平衡少子寿命的测试（瞬态法和稳态法） 3、缺陷检验（择优腐蚀加显微观察）,2、电气参数测试 （1）导电类型的测试（热探针法）P21,热电效应,（2）电阻率的测试（直流四探针法）P22,C为探针系数即修正因子，大小取决于4根探针间的距离,修正式（考虑电阻加热效应）,为温度为T时的电阻率， 为温度系数,（3）非平衡少子寿命的测试（瞬态法和稳态法） P22,1、测试的必要性： 影响半导体太阳电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率，与半导体的重金属含量、晶体结构完整性有关。,2、测量方法： 瞬态法 稳态法,电导衰减法,双脉冲法,扩散长度法,稳态光电导法,利用脉冲电或闪光在半导体中激

30、发出非平衡载流子，改变半导体的体电阻，通过测量体电阻或两端电压的变化规律直接获得半导体材料的寿命。,利用稳定的光照，使半导体中非平衡少数载流子的分布达到稳定的状态，由测量半导体样品处在稳定的非平衡状态时的某些物理量来求得载流子的寿命。,晶圆加工： 性能符合要求的单晶棒，必须经过加工，形成晶片后才能作为器件的衬底材料。这个单晶棒变为晶片的过程，称为晶圆加工（衬底制备）。,制备过程： 单晶棒的滚磨整形确定定位面磨定位面化学腐蚀 晶体定向切片清洗检验 磨片 倒角减薄 抛光,精细加工,整形与定向,76,四、晶圆加工,（一）外形整理 （二）切片 （三）倒角 （四）研磨 （五）抛光 （六）清洗,硅片制备的

31、基本工艺步骤,（一） 外形整理（P23）,1、切割分段 2、径向研磨 3、定位面研磨,研磨前,研磨后,定位面研磨,径向研磨,整形与定向,整形：拉制出的单晶要切去细颈、放肩和尾部，分割下的不合要求的单晶可再回收。 等径的部分存在外表面毛刺、直径偏差等现象，因而还需要进行滚磨整形，使单晶棒达到要求。 外圆滚磨包括：化学研磨和机械研磨。 化学研磨：用液体研磨料研磨去除表面毛刺。 机械研磨：用砂轮研磨使直径符合规格要求。,定向目的：晶体的取向涉及到界面电荷密度的高低、表面复合速度的大小、埋层图形的漂移等问题，因此必须对单晶进行定向。,定向方法：光图像定向法、X射线衍射法 1、光图像定向法： 机理：基于

32、硅晶体各向异性的特点进行晶体定向。 硅晶体结构属于金刚石结构，其主要晶面的原子排列不同面间共价键面密度不同原子结合强度不同。 方法：晶体端面经研磨，择优腐蚀，利用入射平行光反映出的不同的光像可确定对应的晶向。 特点：简单、精确度低,晶向,晶向,光图像定向法确定的光像图形,X射线衍射法： 当晶体绕其中某一点转动时，X射线受原子面的衍射必须满足一定的条件(布喇格衍射关系），该条件与晶面指数有关，根据该指数便可确定出该晶面的晶向。,特点：精确度高,布喇格衍射关系: j=2dsin,d原子面间距 X射线的波长 衍射时X射线的入射角,晶面标识目的： 为了加工时识别晶片划片方位和晶片晶向及导电类型，必须在

33、晶片上作出主、次参考面识别标志。 晶面标识方法： 硅单晶的解理面为111面，为了减少硅片在划片加工时破碎的几率，要求划片方向尽可能利用解理面与晶片表面的交线。,硅片主、次参考面取向标志,因此，硅单晶片的最佳划片方向为,（二） 切片（P24）,切片的具体流程如下：晶棒固定-X射线定位-切片-Wafer拆卸和清洗-Wafer检验 1、晶棒固定：就是将完成径向研磨和定位面研磨的晶棒固定在切片机上。 2、定位：单晶具有各向异性的特点，切割时一定要按照一定的方向进行，芯片才能满足制造IC的需求，而且也不容易破片。,切片：将已整形、定向、标识的单晶材料，按晶向要求切成符合一定规格要求的薄片 。 加工中，决

34、定了硅单晶片的晶向（晶面）、厚度、斜度、平行度和翘度。,硅片定位槽和激光刻印,内圆切割机（200mm）,3、切片（要求：厚度符合要求，平整度好，无弯曲，缺损， 裂缝等）,200mm的晶棒是用带有金刚石切割边缘的内圆切割机来切割的，300mm的晶棒是用线锯切割的。同样长度的晶棒线锯切割比内圆切割产生的芯片数量要多，因为它的切割面更薄，切口损失量更少。,硅片标识定位边,切割好的芯片要清洗掉粘结剂，通过规格检验才能送往下道工序,（三） 倒角（P25）,其目的有三个： 1、防止Wafer边缘破裂 2、防止热应力造成的损伤 3、增加外延层及光刻胶在Wafer边缘的平坦度,边缘倒角：研磨去除晶片边缘棱角。,（四） 研磨（P25）,其目的是： 去除表面的刀痕；消除损伤层；提高平整度，使Wafer薄厚均匀；增加表面平坦度等 工艺方法：单面研磨和双面研磨。,磨片：去除损伤层，使晶片厚度、翘曲度等得到修正，是切片后对晶片表面的第一次加工。,（五） 抛光(P26),作用： 利用化学或机械的方法，