
目前超过98%的电子元件材料全部使用单晶硅。其中用CZ法占了约85%,其他部份则是由浮融法FZ生长法。CZ法生长出的单晶硅,用在生产低功率的集成电路元件。而FZ法生长出的单晶硅则主要用在高功率的电子元件。CZ法所以比FZ法更普遍被半导体工业采用,主要在于它的高氧含量提供了晶片强化的优点。另外一个原因是CZ法比FZ法更容易生产出大尺寸的单晶硅棒。
目前国内主要采用CZ法
CZ法主要设备:CZ生长炉
CZ法生长炉的组成元件可分成四部分
(1)炉体:包括石英坩埚,石墨坩埚,加热及绝热元件,炉壁
(2)晶棒及坩埚拉升旋转机构:包括籽晶夹头,吊线及拉升旋转元件
(3)气氛压力控制:包括气体流量控制,真空系统及压力控制阀
(4)控制系统:包括侦测感应器及电脑控制系统
加工工艺:
加料→熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长
(1)加料:将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内,杂质的种类依电阻的N或P型而定。杂质种类有硼,磷,锑,砷。
(2)熔化:加完多晶硅原料于石英埚内后,长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内,然后打开石墨加热器电源,加热至熔化温度(1420℃)以上,将多晶硅原料熔化。
(3)缩颈生长:当硅熔体的温度稳定之后,将籽晶慢慢浸入硅熔体中。由于籽晶与硅熔体场接触时的热应力,会使籽晶产生位错,这些位错必须利用缩劲生长使之消失掉。缩颈生长是将籽晶快速向上提升,使长出的籽晶的直径缩小到一定大小(4-6mm)由于位错线与生长轴成一个交角,只要缩颈够长,位错便能长出晶体表面,产生零位错的晶体。
(4)放肩生长:长完细颈之后,须降低温度与拉速,使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。
(5)等径生长:长完细颈和肩部之后,借着拉速与温度的不断调整,可使晶棒直径维持在正负2mm之间,这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶硅片取自于等径部分。
(6)尾部生长:在长完等径部分之后,如果立刻将晶棒与液面分开,那么效应力将使得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生,必须将晶棒的直径慢慢缩小,直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为尾部生长。长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出,即完成一次生长周期。
单晶硅棒加工成单晶硅抛光硅片
加工流程:
单晶生长→切断→外径滚磨→平边或V型槽处理→切片
倒角→研磨 腐蚀--抛光→清洗→包装
切断:目的是切除单晶硅棒的头部、尾部及超出客户规格的部分,将单晶硅棒分段成切片设备可以处理的长度,切取试片测量单晶硅棒的电阻率含氧量。
切断的设备:内园切割机或外园切割机
切断用主要进口材料:刀片
外径磨削:由于单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也比最终抛光晶片所规定的直径规格大,通过外径滚磨可以获得较为精确的直径。
外径滚磨的设备:磨床
平边或V型槽处理:指方位及指定加工,用以单晶硅捧上的特定结晶方向平边或V型。
处理的设备:磨床及X-RAY绕射仪。
切片:指将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄晶片。
切片的设备:内园切割机或线切割机
倒角:指将切割成的晶片税利边修整成圆弧形,防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生,增加磊晶层及光阻层的平坦度。
倒角的主要设备:倒角机
研磨:指通过研磨能除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层,有效改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度,达到一个抛光过程可以处理的规格。
研磨的设备:研磨机(双面研磨)
主要原料:研磨浆料(主要成份为氧化铝,铬砂,水),滑浮液。
腐蚀:指经切片及研磨等机械加工后,晶片表面受加工应力而形成的损伤层,通常采用化学腐蚀去除。
腐蚀的方式:(A)酸性腐蚀,是最普遍被采用的。酸性腐蚀液由硝酸(HNO3),氢氟酸(HF),及一些缓冲酸(CH3COCH,H3PO4)组成。
(B)碱性腐蚀,碱性腐蚀液由KOH或NaOH加纯水组成。
抛光:指单晶硅片表面需要改善微缺陷,从而获得高平坦度晶片的抛光。
抛光的设备:多片式抛光机,单片式抛光机。
抛光的方式:粗抛:主要作用去除损伤层,一般去除量约在10-20um;
精抛:主要作用改善晶片表面的微粗糙程度,一般去除量1um以下
主要原料:抛光液由具有SiO2的微细悬硅酸胶及NaOH(或KOH或NH4OH)组成,分为粗抛浆和精抛浆。
清洗:在单晶硅片加工过程中很多步骤需要用到清洗,这里的清洗主要是抛光后的最终清洗。清洗的目的在于清除晶片表面所有的污染源。
清洗的方式:主要是传统的RCA湿式化学洗净技术。
主要原料:H2SO4,H2O2,HF,NH4HOH,HCL
(3)损耗产生的原因
A.多晶硅--单晶硅棒
多晶硅加工成单晶硅棒过程中:如产生损耗是重掺埚底料、头尾料则无法再利用,只能当成冶金行业如炼铁、炼铝等用作添加剂;如产生损耗是非重掺埚底料、头尾料可利用制成低档次的硅产品,此部分应按边角料征税。
重掺料是指将多晶硅原料及接近饱和量的杂质(种类有硼,磷,锑,砷。杂质的种类依电阻的N或P型)放入石英坩埚内溶化而成的料。
重掺料主要用于生产低电阻率(电阻率<0.011欧姆/厘米)的硅片。
损耗:单晶拉制完毕后的埚底料约15%。
单晶硅棒整形过程中的头尾料约20%。
单晶整形过程中(外径磨削工序)由于单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也比最终抛光晶片所规定的直径规格大,通过外径磨削可以获得较为精确的直径。损耗约10%-13%。
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将某一特定晶向的Si seed(种子,通常为一小的晶棒)棒插入熔融状态Si下,并慢慢向上拉起晶棒,一根和seed相同晶向的晶柱就被生产出来,晶柱的直径可以通过控制向上拉的速度等工艺变量来控制.将晶柱切割成很多的一小片,wafer就被制造出来了.晶柱两头无法切割成可用的wafer的部分可被称为头尾料.初步切割出来的wafer,表面通常比较粗糙,无法用作晶圆生产,因而通常都在后续工艺中进行抛光,抛光片的名词就由此而来.针对不同晶圆制造要求,通常需要向粗制晶圆内掺杂一些杂质,如P,B等,以改变其阻值,因而就有了低阻,高阻,重掺等名词.镀膜片可以理解为外延片Epi,是针对特定要求的半导体device而制定的wafer,通常是在高端IC和特殊IC上使用,如绝缘体上Si(SOI)等. 在晶圆IC的生产过程中,需要一些wafer来测试生产设备的工艺状态,如particle水平,蚀刻率,缺陷率等,这些wafer通常叫做控片,控片也用来随正常生产批一起工艺以测试某一工艺的质量状况,如CVD膜厚等.生产设备在维护或维修后,立即工艺生产批的wafer,容易造成报废,因而通常要用一些非常低成本的wafer来运行工艺以确定维护或修理工作的质量,这类wafer通常叫做dummy wafer,当然有的时候dummy wafer也会用在正常生产过程中,如某些机台必须要求一定数量的wafer才能工艺,不足的就用dummy wafer补足,而有的机台必须在工艺一定数量的wafer后进行某一形式的dummy run,否则工艺质量无法保证等等诸如此类的很多wafer都可以叫做dummy. 挡片基本上可以视为dummy wafer的一种. dummy wafer,控片,挡片等通常都是可以回收利用的.硅片,是制作集成电路的重要材料,通过对硅片进行光刻、离子注入等手段,可以制成各种半导体器件。用硅片制成的芯片有着惊人的运算能力。科学技术的发展不断推动着半导体的发展。自动化和计算机等技术发展,使硅片(集成电路)这种高技术产品的造价已降到十分低廉的程度。这使得硅片已广泛应用于航空航天、工业、农业和国防,甚至悄悄进入每一个家庭。
1、上海新升
上海新升半导体由中芯国际创始人张汝京博士成立于 2014 年 6 月,坐落于临港重装备区内,是中国 02 专项 300mm 大尺寸硅片项目的承担主体,总投资68亿元,占地面积150亩。
新升半导体的成立翻开了中国大陆300mm半导体硅片产业化的新篇章,将彻底打破我国大尺寸硅材料基本依赖进口的局面,使我国基本形成完整的半导体产业链。带动全行业整体提升产品能级,同时也将带动国内硅材料配套产业的发展。
2、浙江金瑞泓
浙江金瑞泓科技股份有限公司是一家致力于半导体材料研发与生产的高新技术企业,创建于2000年6月,位于宁波市保税区。2010年,牵头承担 “极大规模集成电路制造装备及成套工艺”国家科技重大专项,并通过国家验收,具备了8英寸硅片月产12万片的大规模产业化能力,掌握了12英寸硅片核心技术。
公司是中国大陆具有硅单晶锭、硅研磨片、硅抛光片、硅外延片、芯片制造的完整产业链的半导体企业。拥有完备的4英寸、5英寸、6英寸及8英寸硅片产品结构。
形成了集成电路与分立器件、轻掺杂与重掺杂、抛光片与外延片并重的特色。硅片年产能达到近800万片,可以生产5000多种技术规格的硅片产品,是中国较大的半导体硅片生产基地。
3、北京有研集团
北京有研科技集团有限公司(简称有研集团)创建于1952年,是我国有色金属行业以创新为引领的综合性工程技术研究开发和高新技术产业培育实体,现为国务院国资委管理的中央企业,注册资金为30亿元。
公司主要从事微电子与光电子材料、新能源材料、有色金属特殊功能材料、有色金属结构材料与制备加工技术、有色金属粉末及粉末冶金、有色金属选矿冶金技术、特种装备研制、有色金属材料分析与测试、有色金属科技情报与软科学、材料计算与模拟仿真等领域的工程化技术研究开发、服务和产业化。
在半导体材料、有色金属复合材料、稀土材料、生物冶金、材料制备加工、分析测试、新能源材料等领域拥有16个国家级研究中心和实验室,承担了一批国家重大科技专项研究课题和国家战略性新兴产业开发项目
4、洛阳麦斯克
洛阳麦斯克电子材料有限公司(简称:MCL)创建于1995年12月。主要产品是生产大规模集成电路级(IC级)4英寸、5英寸、6英寸和8英寸硅抛光片。
MCL是全球性硅片供应商之一。产品主要销往世界各地。如:美国、韩国、新加坡、日本、印度、中国香港等,同时保证国内外知名企业的产品供应。
为了使MCL成为世界上先进的硅片供应商,MCL在成立之初就按照ISO9002标准建立了比较完整的管理体系。并于1998年1月15日通过了SGS YARSHLEY和中国赛宝质量认证中心的管理体系认证。2004年12月通过了SGS审核的TS16949认证,2007年2月又通过了ISO14001认证。
5、上海晶盟
上海晶盟硅材料有限公司隶属于合晶科技股份有限公司,合晶科技股份有限公司成立于1997年,创始团队来自美国硅谷及国内半导体产业,团队成员皆在半导体产业深耕已久。合晶目前已成为全球前十大半导体硅芯片材料供货商之一。主要产品为半导体级抛光硅芯片与半导体级外延片。
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