【推薦】單晶硅生長原理及工藝簡介
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發(fā)布時(shí)間：2024-06-21
以下文章來源于ICPMS冷知識(shí) ，作者王如志
單晶硅屬于立方晶系，金剛石結(jié)構(gòu)，是一種性能優(yōu)良的半導(dǎo)體材料。自上世紀(jì)40年代起開始使用多晶硅至今，硅材料的生長技術(shù)已趨于完善，并廣泛的應(yīng)用于紅外光譜頻率光學(xué)元件、紅外及射線探測器、集成電路、太陽能電池等。此外，硅沒有毒性，且它的原材料石英（SiO2）構(gòu)成了大約60%的地殼成分，其原料供給可得到充分保障。硅材料的優(yōu)點(diǎn)及用途決定了它是目前最重要、產(chǎn)量最大、發(fā)展最快、用途最廣泛的一種半導(dǎo)體材料。當(dāng)前制備單晶硅主要有兩種技術(shù)，根據(jù)晶體生長方式不同，可分為懸浮區(qū)熔法（Float Zone Method）和直拉法（Czochralski Method）。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)用于大功率器件方面，而直拉單晶硅主要應(yīng)用于微電子集成電路和太陽能電池方面，是單晶硅的主體。懸浮區(qū)熔法（FZ）在1953年首先由Keck和Golay用于生長硅單晶。區(qū)熔法生長單晶不需要使用熔體坩堝，能很好地防止坩堝引入氧或金屬雜質(zhì)，因此能制備出較高純度的單晶體。懸浮區(qū)熔法的生長過程如圖1所示。整個(gè)生長過程需要在惰性氣體保護(hù)環(huán)境進(jìn)行，首先將合適長度多晶棒垂直放置在高溫爐反應(yīng)室，通過移動(dòng)加熱線圈將多晶棒的低端融化，此后將籽晶放入多晶熔融區(qū)域，通過控制加熱線圈的溫度與位置，使得多晶熔融體沿著籽晶形成單晶并長大，最后使得多晶棒轉(zhuǎn)為單晶棒。單晶棒的直徑主要由頂部和底部的相對旋轉(zhuǎn)速率控制。
由于懸浮區(qū)熔法不使用坩堝，因此熔化物雜質(zhì)污染較低，能夠獲得純度很高的單晶體。由于所制備的單晶體純度較高，因此可用于制作高電阻的半導(dǎo)體材料與器件。懸浮區(qū)熔法也存在一些缺點(diǎn)，如籽晶與熔體界面難以控制，所制備的單晶體位錯(cuò)較大。此外，熔體材料需要具有較高純度的多晶體，制備原料成本較高。單晶直拉生長法于1917年由 Czochralski 首先提出，因此又稱CZ法。目前被廣泛使用的半導(dǎo)體單晶硅材料大都是采用直拉法生長的。此外，一些重要的半導(dǎo)體如Ge、InSb及GaSb等單晶也是采用直拉法生長的。直拉法的基本原理是采用單晶籽晶作為單晶形核生長初始位置，通過垂直提拉籽晶，晶體將按籽晶的晶向垂直向上生長，通過工藝控制制造所需直徑的單晶體。如圖2所示，直拉法系統(tǒng)主要包括爐體、樣品及生長容器的升降和傳動(dòng)與控制系統(tǒng)。①爐體。爐體一般采用夾層水冷式的不銹鋼爐壁，上下爐室用隔離閥隔開，上爐室為操作室，主要用于晶棒置留與籽晶更換，下爐室主要為熱場系統(tǒng)，用于單晶生長。該爐室主要由石英坩堝、石墨坩堝、加熱系統(tǒng)、保溫控制系統(tǒng)等組成。②樣品生長傳動(dòng)與控制系統(tǒng)。晶體拉伸裝置一般由軟軸連接，如采用不銹鋼或鎢絲，爐頂部安置旋轉(zhuǎn)和提升裝置，樣品生長容器支撐軸采用空心水冷式的不銹鋼軸，同時(shí)在爐體下部也配有轉(zhuǎn)動(dòng)及升降系統(tǒng)。一般對于單晶生長，晶體和生長容器是反向旋轉(zhuǎn)的，以確保均勻生長控制。③生長控制系統(tǒng)。生長控制系統(tǒng)主要用于單晶生長過程中各種生長工藝參數(shù)的設(shè)置與調(diào)控。如單晶直徑控制器可通過晶體直徑測試分析，并將數(shù)據(jù)反饋至主控系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，主控系統(tǒng)將根據(jù)相關(guān)反饋信息，通過調(diào)整拉速及溫度場設(shè)置等參數(shù)，以保持單晶生長的直徑均勻。此外，控制系統(tǒng)能對晶體轉(zhuǎn)速、坩堝轉(zhuǎn)速、坩堝升速、坩堝轉(zhuǎn)速、爐內(nèi)壓力、氣體流量、冷卻水壓力和流量及各項(xiàng)安全報(bào)警等進(jìn)行全程監(jiān)測與控制。
為了實(shí)現(xiàn)單晶良好的生長，主要需要控制以下工藝參數(shù)：溫度場調(diào)控、籽晶桿的提拉速度及其旋轉(zhuǎn)方向與速度、坩堝的升降速度及其旋轉(zhuǎn)方向與速度、單晶生長氣壓及氣流控制等。所拉制單晶的質(zhì)量與直徑大小主要取決于以上相關(guān)工藝參數(shù)的綜合調(diào)控。直拉法的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備較為簡單，工藝參數(shù)易于調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)多種晶向單晶制備，能制備出大直徑的單晶體。因此，目前最重要的單晶硅大部分采用直拉法制備。近年來，由于計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制直拉制備單晶也是一種趨勢。當(dāng)然，直拉法依然存在一些缺陷，如熱對流干擾、難以制備揮發(fā)性的化合物單晶、摻雜元素縱向分布難以調(diào)控等。為克服這些缺點(diǎn)，近年來在直拉法基礎(chǔ)上發(fā)展了一些其他新的方法，如磁控拉晶法、液封拉晶法與加料拉晶法等。半導(dǎo)體單晶棒制備完成后，需要經(jīng)過進(jìn)一步加工制備成晶片（晶圓、基片）以達(dá)到半導(dǎo)體器件應(yīng)用的要求。半導(dǎo)體晶片的制造基本步驟包括：晶片切割、化學(xué)處理、表面拋光和質(zhì)量測量。圖3為晶片的制備的基本流程。以下以硅晶片為例說明半導(dǎo)體晶片制備的基本流程。
硅單晶錠在生長完成后，形狀不規(guī)整，需要進(jìn)一步整形以適應(yīng)晶片加工的要求。首先是去兩端，即把晶錠的籽晶端和與非籽晶端的不規(guī)則部分切除。去端后的晶錠可通過測試電阻確定單晶雜質(zhì)均勻性。由于在晶體生長中直徑和圓度的控制不可能很精確，接著通過徑向研磨來控制單晶硅錠的直徑。此外在晶錠整形過程中，也往往通過定位標(biāo)志標(biāo)明晶體結(jié)構(gòu)類型與晶向。晶錠整形完成后就是切片，對于200mm左右較小直徑的單晶錠，一般采用金剛石切割邊緣的內(nèi)圓切割機(jī)來完成其切片。內(nèi)圓切割機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于進(jìn)行邊緣切割時(shí)較穩(wěn)定，所獲得的切面平整。對于300mm以上的大直徑硅晶錠，一般采用線鋸來切片。線鋸能比傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割機(jī)效率更高，切口損失小，但穩(wěn)定性不夠，所切除的晶片平整度不夠。切片完成后，需要進(jìn)一步使用雙面磨片以去除切片時(shí)損傷，并實(shí)現(xiàn)晶片兩面的晶向平行與平整度。磨片通常是采用墊片和帶有磨料的漿料利用旋轉(zhuǎn)的壓力來完成的，磨片漿料主要包括氧化鋁或硅的碳化物和甘油。晶片平整度是磨片需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。倒角是通過對硅片邊緣的拋光與修整，從而使硅片邊緣獲得平滑的半徑周線。拋光晶片邊緣（邊緣拋光）一般在腐蝕工藝之后，而邊緣研磨或邊緣整形是在腐蝕之前進(jìn)行的。倒角的重要作用在于所形成的平滑邊緣半徑可以降低晶片邊緣裂痕所導(dǎo)致的位錯(cuò)對晶片性能的影響。為了消除晶片在制備與整形過程形成的損傷與污染，一般采用化學(xué)刻蝕的方法進(jìn)行表面處理，來選擇性地去除表面雜質(zhì)與損傷。在硅片刻蝕工藝中，一般需要采用化學(xué)腐蝕去掉表面厚度約20μm的硅，這樣才能確保去除所有損傷與污染。晶片拋光又稱為化學(xué)機(jī)械研磨（CMP），目的是使晶片具有高平整度的光滑表面。硅片所使用的研磨液一般為膠狀的二氧化硅液。拋光一般僅對一面進(jìn)行，另一面仍保留化學(xué)刻蝕后的表面。因此，市場銷售的晶片，兩面的粗糙度是不一樣的，非拋光面的粗糙度往往是拋光面粗糙度的3倍，一般用于識(shí)別器件加工制作。當(dāng)然，有些特殊要求也采用雙面拋光。晶片可通過在拋光盤之間進(jìn)行行星式運(yùn)動(dòng)研磨，在改善表面粗糙度的同時(shí)也使硅片表面平坦且兩面平行。為了制備半導(dǎo)體器件，半導(dǎo)體晶片必須通過清洗得到超凈的表面。采用當(dāng)前的技術(shù)，清洗后的晶片表面可以達(dá)到幾乎沒有顆粒和沾污的程度。
