【科普】芯片制造工艺：晶体生长、成形

    本文讲述半导体单晶生长和成形所需的常用技术。

内容框架：

1. 晶体生长基本流程

2. 单晶硅的生长

3. 更高纯度的单晶硅的生长

4. 晶圆成形：切割、研磨、抛光

5. 晶体缺陷

   
   

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1.晶体生长基本流程

下图为从原材料到抛光晶圆的基本工艺流程：

2.单晶硅的生长

    从液态的熔融硅中生长单晶硅的及基本技术称为直拉法（Czochralski）。半导体工业中超过90%的单晶硅都是采用这种方法制备的。

      在晶体生长过程中，多晶硅被放置到坩埚中，熔炉加热到超过硅的熔点，将一个适当晶向的籽晶放置在籽晶夹具中，悬于坩埚之上。将籽晶插入熔融液中，虽然籽晶将会部分熔化，但未熔化的籽晶顶部将会接触熔融液的表面。接着将籽晶慢慢拉起，熔融液在固体﹣液体的表面逐渐冷却，从而产生一个很大的单晶锭。

     标准的拉晶速率是每分钟数毫米。如果要拉制一个较大直径的单晶硅锭，可在基本直拉法拉晶机上外加磁场。外加磁场的目的是减少缺陷、杂质，降低氧含量。由直拉法生长的单晶硅锭如图所示：

图源：https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/czochralski-process

掺杂：

在晶体生长时，可将一定数量的杂质原子加入熔融液，以获得所需的掺杂浓度。对硅而言，硼和磷分别是形成P型和N型半导体最常用的掺杂材料。

要想使晶锭获得均匀的掺杂分布，可提高拉晶速率和降低旋转速率。另一种方法是在单晶生长过程中持续不断地向熔融液中添加高纯度的多晶硅，使得熔融液的初始的掺杂浓度维持不变。

3.更高纯度的单晶硅的生长

区熔工艺可以生长纯度更高的单晶硅。装置如下:

      一根底部带有籽晶的高纯度多晶硅棒保持在垂直方向并且旋转。此多晶硅棒被密封在充满惰性气体（如氩气）的石英管中。

      在操作过程中，利用射频加热器使多晶硅棒的一小段区域（大约几厘米长）熔融，沿多晶硅棒轴向方向从部的向上移动射加热器，使悬浮熔融带(float-zone）向上移动，并扫过整个多晶硅棒。已悬浮区熔的硅以正在熔融的硅和再结晶的固体硅之间的表面张力为支撑。当悬浮熔融带上移时，后退端再结晶，生长出与籽晶晶向一致的单晶。

      使用区熔法可生长出更高阻率的单晶材料。所以，目前区熔法生产出的单晶主要用于制造高功率、高压器件等。这种生长技术还可以用来去除杂质，称为区熔提纯技术，可用于提供极其纯净的原材料。

4.晶圆成形：切割、研磨、抛光

      晶体生长完成后，第一道成形的操作是切除晶锭包含籽晶的头部和最后凝固的尾端。接着磨光表面以确定晶圆的直径。然后沿晶锭轴向磨出一个或数个平面。这些平面用来指示晶向和导电类型。最大的平面称为主磨面，参照该面可使自动工艺设备中的机械定向器自动固定晶圆的位置并确定器件相对于晶体的取向。另外一些较小的面称为次磨面，用于指示晶向和导电类型。

      接着晶锭被金刚石刀片切成晶圆。切割决定四个晶圆参数：①晶面结晶方向，如＜111＞或＜100>;②晶圆厚度，如0.5~0.7 mm，由晶圆直径决定；③晶面倾斜度，指从晶圆一端到另一端的厚度差异；④晶圆弯曲度，指从晶圆中心到晶圆边缘的弯曲程度。

硅锭切成单个晶圆（来源：Disco）

      切割完成以后，晶圆的两面要用氧化铝（Al2O3）和甘油的混合物来研磨，一般可研磨到2um的平坦度。这道研磨操作通常会造成晶圆表面和边缘的损伤和污染，损伤和污染的区域可用化学刻蚀的方法来消除。

      晶圆成形的最后一道工序是抛光，其目的是为后面的光刻工艺提供具有高度平坦化、高度洁净表面的晶圆。

单晶片研磨（来源：Disco）

5.晶体特性

缺陷：

      实际的晶体总会存在缺陷，从而影响半导体的电学、光学和机械特性。

       点缺陷在氧化和杂质扩散工艺研究中特别重要。

点缺陷

      线缺陷：半导体器件应尽量避免线缺陷，因为金属杂质容易在线缺陷处沉淀，从而降低器件性能。

线缺陷

     面缺陷：存在面缺陷的的晶体不能用于制造集成电路，只能废弃。

面缺陷

材料特性对比：

硅材料的特性和制造ULSI（超大规模集成电路）对晶圆的要求的对比：

特性测量方法：

电阻率可用四探针法测量。

对于少量杂质，如硅中的氧和碳杂质，可用二次离子质谱分析法测定。

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