第五章硅片制备
半导体-硅片生产工艺流程及工艺注意要点
硅片生产工艺流程及注意要点简介硅片的准备过程从硅单晶棒开始，到清洁的抛光片结束，以能够在绝好的环境中使用。
期间，从一单晶硅棒到加工成数片能满足特殊要求的硅片要经过很多流程和清洗步骤。
除了有许多工艺步骤之外，整个过程几乎都要在无尘的环境中进行。
硅片的加工从一相对较脏的环境开始，最终在10级净空房内完成。
工艺过程综述硅片加工过程包括许多步骤。
所有的步骤概括为三个主要种类：能修正物理性能如尺寸、形状、平整度、或一些体材料的性能；能减少不期望的表面损伤的数量；或能消除表面沾污和颗粒。
硅片加工的主要的步骤如表1.1的典型流程所示。
工艺步骤的顺序是很重要的，因为这些步骤的决定能使硅片受到尽可能少的损伤并且可以减少硅片的沾污。
在以下的章节中，每一步骤都会得到详细介绍。
表1.1 硅片加工过程步骤1.切片2.激光标识3.倒角4.磨片5.腐蚀6.背损伤7.边缘镜面抛光8.预热清洗9.抵抗稳定——退火10.背封11.粘片12.抛光13.检查前清洗14.外观检查15.金属清洗16.擦片17.激光检查18.包装/货运切片（class 500k）硅片加工的介绍中，从单晶硅棒开始的第一个步骤就是切片。
这一步骤的关键是如何在将单晶硅棒加工成硅片时尽可能地降低损耗，也就是要求将单晶棒尽可能多地加工成有用的硅片。
为了尽量得到最好的硅片，硅片要求有最小量的翘曲和最少量的刀缝损耗。
切片过程定义了平整度可以基本上适合器件的制备。
切片过程中有两种主要方式——内圆切割和线切割。
这两种形式的切割方式被应用的原因是它们能将材料损失减少到最小，对硅片的损伤也最小，并且允许硅片的翘曲也是最小。
切片是一个相对较脏的过程，可以描述为一个研磨的过程，这一过程会产生大量的颗粒和大量的很浅表面损伤。
硅片切割完成后，所粘的碳板和用来粘碳板的粘结剂必须从硅片上清除。
在这清除和清洗过程中，很重要的一点就是保持硅片的顺序，因为这时它们还没有被标识区分。
激光标识(Class 500k)在晶棒被切割成一片片硅片之后，硅片会被用激光刻上标识。
第五章硅片制备
2、气体掺杂
PH3、AsCl3、BCl3 3、小球掺杂
适合分凝系数较小的杂质
4、中子嬗变掺杂
n型轻掺杂
30 14
Si
n0
1341Si1351P
两种生长方法的比较：
直拉法
区熔法
直径 杂质含量
大直径（300mm） 小直径 （150mm）
高低Leabharlann 电阻率 低高成本
低
高
§4.4 硅中的晶体缺陷和杂质
本节目的：讨论晶体中的各种缺陷和杂 质，以及它们在晶体中扮演的角色。
硅烷 3.利用西门子法，通过三氯硅烷和氢气反应
来生产半导体级硅（SGS）
1.用碳加热硅石制备冶金级硅（MGS）
SiO2和碳（用煤和焦炭）加热到大约 2000oC
2C SiO2 Si 2CO
冶金级硅纯度98% 含大量杂质：铝、铁
2.通过化学反应将冶金级硅提纯生成三氯 硅烷
（1）冶金级硅磨成粉末，在催化剂的 情况下，高温度与HCl反应。
降温 结晶中心
--籽晶: 单晶硅，无位错，晶向正，电阻率
高，表面没有任何损伤和杂质沾 污……
单晶拉制过程
1.清洁处理----炉膛、多晶硅、籽晶、掺杂剂、 坩埚等等
2.装炉----装多晶硅、掺杂剂 3.抽真空 4.回充保护性气体 5.加热融化----15000C左右 6.单晶拉制 7.关炉降温
单晶生长的过程：
集成电路的衬底采用什么结构？ 集成电路的衬底采用什么晶向？
固体分为： 非晶体 多晶体 晶体
非晶
多晶
单晶
制作集成电路的衬底材料
非晶：没有重复结构 ， 多晶：部分重复结构 单晶：完全重复结构，制造集成电路
的衬底材料。
简述硅片的制备过程
简述硅片的制备过程
硅片是半导体材料中最常用的材料之一，被广泛应用于电子、光电、太阳能等领域。
硅片的制备过程主要包括以下几个步骤：
1. 熔化硅：将高纯度硅石加热至高温，使其熔化成液态硅。
2. 晶体生长：将熔化的硅倒入生长炉中，通过引入掺杂剂和控制温度梯度等方式，在硅液中生长出硅晶体。
晶体生长的方式有Czochralski法、区域熔法等，其中Czochralski法是最常用的。
3. 切割硅片：将生长好的硅晶体进行机械或化学切割，得到所需大小和厚度的硅片。
4. 退火：将硅片进行高温退火，消除内部应力和缺陷，提高硅片的电学性能。
5. 磨削和抛光：对硅片进行精密的磨削和抛光处理，使其表面光洁度和平坦度达到特定要求。
6. 清洗和包装：对硅片进行严格的清洗和包装，保证其表面不受污染和损伤，从而确保硅片的质量和稳定性。
硅片的制备过程需要高度的技术和设备支持，生产厂商需要严格控制每个环节的质量和工艺参数，以确保生产出高品质的硅片。
- 1 -。
吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.1-5.3
(DLICVD)
等离子体法 微波等离子体协助CVD ：Microwave plasma-assisted CVD
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
硅源要求
通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但 生长速度快，易提纯，使用安全
SiH2Cl2和SiH4常温下是气体，反应温度低，外延 层杂质分布陡峭。缺点是：
要求生长系统具有良好的气密性，否则会因漏气而 产生大量的外延缺陷。
第 5 章 硅外延生长
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半导体材料
第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述 5-2、硅衬底制备 5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
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半导体材料
5-1、外延生长概述
外延生长的定义 外延生长的分类 发展外延生长的动机
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半导体材料
重掺杂的衬底区：低电阻率的衬底降低了基片的 电阻，降低饱和压降，提供在中等电流下高的器 件工作速度→高频
轻掺杂的外延层：集电极区高的电阻率保证高的 集电极-衬底的击穿电压→大功率
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半导体材料
CMOS电路制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；
SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末 状硅使外延无法进行。
表5-1：常用硅源的特性
硅片制造过程
硅片制造过程
嘿，朋友们！今天咱来唠唠硅片制造过程，这可真是个神奇又有趣的事儿啊！
你想想看，那小小的硅片，就好像是一个微缩的科技小世界。
要制造它，那可得经过好多道工序呢，就跟盖大楼一样，得一层一层来。
首先得有原材料呀，那就是硅。
这硅就像是做菜的食材，得精挑细选。
然后呢，就开始加工啦。
就好像揉面团似的，要把硅弄成合适的形状和大小。
接下来就是一系列精细的操作咯。
好比雕刻大师在精心雕琢一件艺术品，每一刀都得恰到好处。
要进行各种清洗呀、打磨呀，让硅片变得光滑又漂亮。
在这个过程中，可不能有一点马虎哦！就像走钢丝一样，稍有不慎就可能前功尽弃。
那些技术人员就像是神奇的魔法师，用他们的双手和智慧赋予硅片生命。
然后还有各种检测呢，这就好比给硅片做体检，看看它是不是健康强壮。
不合格的可不能要哦，得回炉重造。
制造硅片真的不容易呀，需要那么多的耐心和技术。
这可不是随便谁都能搞定的事儿呢！就好像学骑自行车，得不断练习才能掌握平衡。
等硅片制造好了，它们就会被用到各种各样的电子产品里。
你手里拿着的手机呀、电脑呀，说不定里面就有经过精心制造的硅片呢！
咱再想想，要是没有这些高质量的硅片，那我们的科技生活得变成啥样呀？是不是感觉很不可思议？所以说呀，硅片制造过程虽然复杂又辛苦，但真的超级重要呢！它是推动我们科技不断进步的重要力量呀！
这就是硅片制造过程啦，朋友们，是不是很神奇很有趣呢？咱得感谢那些默默付出的技术人员，是他们让我们的生活变得更加丰富多彩呀！。
硅片生产工艺流程
硅片生产工艺流程硅片是集成电路和太阳能电池制造的关键材料之一。
硅片的生产工艺流程是一个复杂的过程，需要多个步骤和高度精确的操作。
首先，硅片生产的第一步是提取硅矿石。
硅矿石通常以二氧化硅的形式存在，需要经过高温炉熔炼，将其转化为纯度较高的冶金硅，即硅锭。
第二步是将硅锭切割成薄片，即硅片。
这一步是在洁净室环境下进行的，以确保硅片的表面不受污染。
硅锭通过钢丝锯切割成薄片，并经过多次的研磨和抛光，使其表面光洁。
接下来，硅片需要进行腐蚀处理。
腐蚀是为了去除硅片表面的氧化层和其他杂质，以便后续步骤的加工。
腐蚀通常使用浓硝酸或氢氟酸等强酸进行，需要在严格的条件下进行控制，以避免对硅片造成过多损伤。
腐蚀处理后，硅片需要进行清洗。
清洗是为了去除腐蚀处理过程中留下的酸和其他杂质。
清洗一般使用去离子水和酒精等洁净溶剂进行，确保硅片表面的纯净度达到要求。
接下来是掺杂和扩散工艺。
硅片是通过在表面加入掺杂剂来实现电导性和铅跨性的调整。
掺杂剂可以是五价元素如磷或三价元素如硼。
掺杂剂被加入硅片表面后，通过高温加热使其扩散到硅片的内部，形成所需的电子或空穴浓度分布。
之后是金属化工艺。
金属化是为了在硅片表面形成电极和连线。
这一步通常使用光刻工艺，将特定的光刻胶涂在硅片上，然后使用紫外光照射制定的图案。
接下来，通过蒸镀或层压等方式在硅片表面沉积金属，形成电极和连线。
最后的步骤是测试和划分。
硅片需要进行电学和光学测试，以确保其符合规格和质量要求。
同时，硅片需要根据尺寸和功能的需求进行划分，划分成较小的单个芯片。
以上是硅片生产的基本工艺流程。
需要注意的是，每个步骤都需要严格的控制和监测，以确保生产的硅片质量和性能达到要求。
在整个生产过程中，洁净室的环境和工艺条件也是非常重要的，以确保硅片的纯净度和精度。
硅片生产工艺流程
硅片生产工艺流程
《硅片生产工艺流程》
硅片是集成电路、太阳能电池以及其他电子设备中不可或缺的组件之一。
它是由高纯度的硅材料制成，经过一系列复杂的工艺流程才能生产出来。
下面将介绍硅片的生产工艺流程。
首先，硅片的制造过程通常从硅矿石提炼开始。
硅矿石经过冶炼、气化和还原等步骤，最终得到高纯度的多晶硅块。
接着，多晶硅块要经过液相扩散法或气相扩散法来制备单晶硅。
在这一步骤中，需要将多晶硅块放入炉中加热，然后缓慢冷却，使得硅晶体按照单晶结构生长。
接下来，单晶硅需要进行切割，这一步骤称为切片。
将单晶硅块放入线锯或者电子束切割机中，切割成薄薄的硅片。
硅片切割后，需要进行多次的抛光和清洗，确保表面光洁度和无尘污。
之后，硅片要进行掺杂和扩散工序，以调节硅片的电学性能，比如电导率和电子迁移率等。
在这一步骤中，需要将硅片暴露在高温的炉内，以使得掺杂原子能够渗透到硅片内部，从而改变其电学特性。
最后，硅片还需要进行薄膜沉积、光刻、蚀刻和清洗等步骤，以在硅片表面形成电路图案和其他必要的结构。
最终，生产出的硅片将会被检测和测试，以确保其质量和性能符合要求。
总的来说，硅片的生产工艺流程是一个十分复杂的过程，它需
要经历多个步骤和环节，才能最终得到高质量的硅片产品。
这些工艺流程的不断发展和改进，将有助于提高硅片的生产效率和质量，推动整个电子产业的发展。
硅片的制作流程及原理
硅片的制作流程及原理
硅片，也称为矽片，是指将高纯度的硅块切割而成的薄片状材料。
硅片在集成电路、太阳能电池等领域有着广泛的应用。
硅片的制作过程涉及到多个环节和原理，下面简单介绍其制作流程和原理：
1.原材料准备：硅片的制备主要依赖于高纯度多晶硅。
多晶硅是通过将冶金
硅在真空炉中加热、熔化，然后再通过高温还原法得到高纯度多晶硅。
得到的硅经过密封包装以防氧化，供后续工序使用。
2.硅块生长：这一步是将高纯度多晶硅在单晶炉中加热，通过拉伸和旋转的
方法，逐渐形成单晶硅棒。
这个过程中涉及到物理和化学原理，如结晶学、热力学等。
3.切割硅片：将单晶硅棒锯成薄片，通常每片厚度约为200-300微米。
这一
步通常使用金刚石锯片进行切割，涉及到机械和物理原理。
4.抛光和清洗：对切割好的硅片进行抛光和清洗，以去除表面杂质和损伤层，
提高硅片的表面质量和光学性能。
这个过程中涉及到化学和物理原理，如化学反应、物理摩擦等。
此外，硅片的制作过程中还涉及到很多具体的技术细节和工艺控制，如温度、压力、时间、气氛等参数的控制，以及各种设备和仪器的使用。
总结：硅片的制作流程及原理指的是将高纯度的多晶硅转化为单晶硅棒，再将其切割成薄片状材料的过程。
这个过程中涉及到多个环节和原理，包括原材料准备、硅块生长、切割、抛光和清洗等。
每个环节都有其特定的技术和原理，如结晶学、热力学、机械和物理原理等。
掌握这些原理和技术是保证硅片质量和性能的关键。
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杂质污染：氧、碳 应用：生长大直径低电阻率的硅单晶。
区熔法特点：
优点：氧、碳含量低。 缺点：硅棒直径小，不能生长大直径的单
晶；并且掺杂困难。
应用：生长高纯度单晶硅；或单晶硅进一 步提纯。
区熔法的掺杂
1、芯体掺杂
适合扩散系数比较大的杂质；
螺位错
位错分类
原生位错：是晶体中固有的位错。
诱生位错：是指在芯片加工过程中引入 的位错，其数量远远大于原生位错。
产生位错的原因
大致可分为三个方面：
高温工艺过程引入的位错 掺杂过程中引入的位错 晶体的物理损伤引入的位错
在单晶硅生长过程中，应该避免位错 的出现。
位错对晶体的影响
位错是应力存在的标志。
西门子反应器
生长的多晶硅
§ 4.2 晶体结构和晶向
集成电路的衬底采用什么结构？ 集成电路的衬底采用什么晶向？
固体分为： 非晶体 多晶体 晶体
非晶
多晶
单晶
制作集成电路的衬底材料
非晶：没有重复结构 ， 多晶：部分重复结构 单晶：完全重复结构，制造集成电路
的衬底材料。
晶向
<100>晶面
说明 {100}、{111}、
{110} ± 1o 3456 300~450 450~600
550~650 600~750(±25) p型、n型 0.01 (低阻值) ~ 100 (高阻值)
CZ、FZ (高阻值) 单面、双面
300 ~ 3,000
准备工作——衬底选择
常用的Si、Ge、GaAs选用的指标主要有：
第四章 硅片制备
本章研究目的：研究硅片的制备过程，
即 沙子
硅片
包括： 硅的提纯
单晶硅生长
硅片制备
本章主要内容：
硅的提纯 硅晶体结构和晶向 单晶硅生长 晶体缺陷和硅中杂质 硅片制备
以下是订购硅晶圆时，所需说明的规格：
项目 晶面
外径(吋) 厚度(微米)
杂质 阻值(Ω-cm) 制作方式 拋光面 平坦度(埃)
非本征吸杂 ---引入应变或损伤区。
三、面缺陷——层错
二维缺陷 氧化层错 外延层错
六角密排晶格
面心立方晶格
硅中杂质
有意的掺杂： 作用： n型半导体、 p型半导体
2.通过化学反应将冶金级硅提纯生成三氯 硅烷
（1）冶金级硅磨成粉末，在催化剂的 情况下，高温度与HCl反应。
Si(s) 3HCl (g) SiHCl3 (l) H 2 (g)
（2）蒸馏提纯
SiHCl3和其中的杂质一起沸腾并由于沸 点不同而分离。
SiHCl3沸点31.40C
冶金级硅的提纯
3.利用西门子法，通过三氯硅烷和氢气 反应来生产半导体级硅（SGS）
单晶生长的过程：
（1）下种 （2）缩颈； （3）放肩； （4）等颈生长； （5）收尾。
单晶锭
直拉法中的掺杂
方式：掺杂杂质加入到粉碎的硅粉中。 方法： 元素掺杂
合金掺杂
区熔法
制备过程：
1）将掺杂好的多晶硅棒和籽晶 一起竖直固定在区熔炉内，多 晶棒底部和籽晶接触；
2）抽真空或通入惰性气体；
3）射频线圈通电流将多晶硅熔 化；
<111>晶面
§4.3 单晶硅生长
多晶硅
单晶硅
晶体生长：把多晶块转变成一个大单 晶，并给予正确的晶向和适量的N型或
P型掺杂。
单晶硅生长方法
目前主要有两种不同的生长方法：
直拉法（CZ法） 区熔法
直拉法（CZ法）
85%的单晶都 是通过直拉法 生长的。
旋转卡盘
籽晶
生长晶体
射频加热线圈
熔融 硅
直拉单晶炉
硅的提纯过程
1.用碳加热硅石制备冶金级硅（MGS） 2. 通过化学反应将冶金级硅提纯生成三氯
硅烷 3.利用西门子法，通过三氯硅烷和氢气反应
来生产半导体级硅（SGS）
1.用碳加热硅石制备冶金级硅（MGS）
SiO2和碳（用煤和焦炭）加热到大约 2000oC
2C SiO2 Si 2CO
冶金级硅纯度98% 含大量杂质：铝、铁
晶圆片的直径；晶片的平整度；晶格的完整性；纯度； 晶向；导电类型（P型或N型）；电阻率；
例：
<100>晶向无缺陷的单晶硅片 8英寸硅片，硅片厚度约700um p 型硅片，电阻率为10-50Ωcm
§4.1 硅的提纯
半导体级硅（SGS）或电子级硅： 用来做硅片的高纯硅被称为半导体级硅 （SGS）或电子级硅。 纯度：99.9999999%
缺陷分类：
点缺陷 线缺陷——位错 面缺陷——层错 体缺陷
一、点缺陷
自间隙原子、空位、替位杂质、间隙杂质 弗伦克尔缺陷、肖特基缺陷 本征缺陷，非本征缺陷
点缺陷在晶体中扮演的角色
1.有益：掺杂原子的替位型缺陷 2.无益：金属杂质沾污的填隙缺陷
二、位错
一维缺陷；单晶内部一组晶胞排错位置所制。
刃位错
4）融化区从多晶硅底部区域开 始，然后慢慢地向上移动，形 成单晶硅；
5）反复多次，使硅棒沿籽晶生 长成具有预期电学性能的单晶 硅。
惰性气体 （氩气）
滑动射 频线圈
籽晶
行进 方向
通入惰性气体
上卡盘 多晶硅棒
熔融区
下卡盘
直拉法与区熔法比较
直拉法特点：
优点：工艺成熟，能较好地拉制低位错、大 直径的硅单晶。
2、气体掺杂
PH3、AsCl3、BCl3 3、小球掺杂
适合分凝系数较小的杂质
4、中子嬗变掺杂
n型轻掺杂
30 14
Si
n0
1341Si1351P
两种生长方法的比较：
直拉法
区熔法
直径 杂质含量
大直径（300mm） 小直径 （150mm）
高
低
电阻率 低
高
成本低高ຫໍສະໝຸດ §4.4 硅中的晶体缺陷和杂质
本节目的：讨论晶体中的各种缺陷和杂 质，以及它们在晶体中扮演的角色。
杂质容易聚集在位错线附 近，沿位错线沉积。
1.有源区：无论是原生的还是诱生的缺陷对 器件特性都是不利的，因此在芯片制造过程 中都应该尽量避免。 2.非有源区：可以利用这些缺陷进行杂质的 吸杂。
杂质的吸杂
吸杂： 晶体中的杂质和缺陷扩散并被捕获在 吸杂位置的过程。
两种方法：本征吸杂 ---利用硅片中固有的氧原子
直拉单晶炉
熔融物质再结晶必备的条件：
降温 结晶中心
--籽晶: 单晶硅，无位错，晶向正，电阻率
高，表面没有任何损伤和杂质沾 污……
单晶拉制过程
1.清洁处理----炉膛、多晶硅、籽晶、掺杂剂、 坩埚等等
2.装炉----装多晶硅、掺杂剂 3.抽真空 4.回充保护性气体 5.加热融化----15000C左右 6.单晶拉制 7.关炉降温