什么是半导体？

半导体是这两年国家重点发展的行业，到底什么是半导体？

生活中所有的物体按照导电性大致可分为三类：导体、半导体、绝缘体。

这个很好理解，物体要么导电，要么不导电，要么有一点点导电，正是这种半推半就、不清不楚的物质给物理学家不同的发挥空间。

太绝对的导电和不导电的物质没什么意思，而在不同情况下导电性发生变化的东西才是有意思的。

来张图直观看看物体的导电性：

按照导电性便分为：

绝缘体: 电导率很低，约介于20－18S/cm 10－8S/cm,如熔融石英及玻璃；

导 体 ：电导率较高，介于104S/cm 106S/cm，如铝、银等金属。

半导体： 电导率则介于绝缘体及导体之间。

自然界中常见的元素半导体有硅、锗，据说锗基半导体比硅基半导体还要更早发现和应用，但是硅的天然优势就是便宜！自然界中常见的沙石就含有大量的硅元素，你说有多多！

即使自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的杂质太多，缺陷也太多，不能直接拿来用，需要对它进行提炼。

怎么提炼？一个字——烧！

正如初中化学所学的，进行氧化还原反应。

①SiC + SiO2 Si(固体)+ SiO2(气体)+ CO(气体)

②Si(固体)+ 3HC SiHCl3(气体)+ H2(气体)

③SiHCl3(气体)+ H2(气体) Si(固体)+ 3HCl(气体)

经过三次高温化学反应后，我们得到了固体硅，但这时候的硅是多晶硅。

啥是多晶硅？

如同我们剥橘子的时候，里面有很多瓣橘子（多晶橘子），而且不同瓣的橘子味道不一样（晶体方向），我们要选味道最好的一瓣橘子，选出来让这瓣橘子单独长大！

怎么让一个小的单晶单独长大呢？

物理学家还是很聪明的，发明了一种长单晶的办法，叫柴可拉斯基法，可能方法就是以这名科学家名字命名的。

行业也有一种直观的称呼，叫提拉法!

因为在长单晶时就是把小的晶体往上拔！拔的时候速度有点慢，来看看这个装置：

图中的这个蓝色的圆棒就是单晶硅，在提拉的时候一边旋转一边往上拔，提拉法长出来的晶锭就是圆柱体了。

再将长好的晶锭采用机械刀片进行切割，切成一片一片的圆盘状，便成了晶圆。

有没有很眼熟？

晶圆就是这样被生产出来了。

虽然我们得到了晶圆，此时的单晶硅电化学性能还不行，不能直接用来做芯片，工程师们于是想办法改造单晶硅的电化学性能。

如何改造单晶硅呢？

先深入了解一下硅元素，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外层有4个电子，分别与周围4个原子共用4对电子，这种共用电子对的结构称为 共价键 (covalent bonding)。每个电子对组成一个共价键。

这部分知识初中化学学过，来张图片直观看看：

左边这张图是单晶硅的晶体结构，为金刚石晶体结构。右边这张图是硅原子共用电子的情况，中间一个硅原子和四个硅兄弟共用电子。

突然有一天，有个物理学家想到一个问题，要是硅家不是和硅兄弟共用电子，把其他兄弟拉进群会怎样？

物理学家有一天把砷兄拉进了群，于是奇迹发生了：

砷兄弟最外层有5个电子，其中4个电子找到了硅家的对象，另外一个电子单着了，这个电子成了无业游民，到处流窜，由于电子带有电荷，于是改变了硅家的导电性。

此时的砷原子多提供了一个电子给硅家，因此砷原子被称为施主。

硅家的自由电子多了以后，带负电的载流子增加，硅变成n型半导体。

为啥叫N型？在英文里Negative代表负，取这个单词的第一个字母，就是N。

同样，物理学家想，既然可以拉电子多的砷元素进群，那么是否也可以拉电子少的硼原子进群？于是物理学家把硼原子拉进来试试。

由于硼原子最外层只有3个电子，比硅少一个，于是本来2对电子的共价键现在成了只有一对电子，多了一个空位，成了带正电的空穴(hole)。

此时的硅基半导体被称为p型半导体，同样P来自英文单词Positive(正极)的首字母，而硼原子则被称为受主。

正是在硅单晶中加入的原子不同，便形成了N型半导体和P型半导体。

当我们有了单晶硅，并且可以想办法将单晶硅表面氧化成二氧化硅。二氧化硅可作为许多器件结构的绝缘体，或在器件制作过程中作为扩散或离子注入的阻挡层。

如在 p‒n 结的制造过程中，二氧化硅薄膜可用来定义结的区域。

来张示意图看看，(a)显示无覆盖层的硅晶片，正准备进行氧化步骤，图(b)只显示被氧化晶片的上表层。

有了P型和N型半导体的理论知识，还可以玩点复杂的，对二氧化硅表面进行改造，改造成我们想要的图形，比如画只猫，画朵花等…

对晶圆表面进行改造的办法就是光刻！

光刻那不是要用到高端光刻机？听说这种设备很牛逼….不如先看看光刻的原理：

利用高速旋涂设备(spinner)，在晶片表面旋涂一层对紫外(UV)光敏感的材料，称为光刻胶(photoresist)。将晶片从旋涂机拿下之后在80ºC 100ºC之间烘烤，以驱除光刻胶中的溶剂并硬化光刻胶，加强光刻胶与晶片的附着力。接下来使用UV光源，通过一有图案的掩模版对晶片进行曝光。然后，使用缓冲氢氟酸作酸刻蚀液来移除没有被光刻胶保护的二氧化硅表面。最后，使用化学溶剂或等离子体氧化系统剥离(stripped)光刻胶。

看看示意图：

文字说的有点复杂，直观理解有点像刻印章，先在石头上用颜料涂个模型，然后按照模型的尺寸进行雕刻，基本是这个道理。

印章有阳刻和阴刻的区别，晶圆也是这样，根据光刻胶的选取不同，也能实现阳刻和阴刻，人们选用的光刻胶称为正胶和负胶。

光刻后的硅表面暴露于外界中，此时物理学家在这个硅表面通过不同方法加入其它元素，称为离子注入。

因为注入B或者As离子以后，这些离子加入到硅家以后改变了硅家的传统，硅的电化学性能发生了改变，此时的半导体叫做非本征(extrinsic)半导体。

而由P型半导体和N型半导体接触形成的结称为p-n结！

我们在掺杂完成以后，需要想办法将这个半导体的性能引出，于是将这个半导体表面金属化，欧姆接触(ohmic contact)和连线(interconnect)在接着的金属化步骤完成，金属薄膜可以用PVD或CVD来形成。

随着金属化的完成， p‒n 结就可以工作了！

简单的半导体知识就介绍这么多吧！

从多晶硅到单晶硅棒再到切(硅)片这一段是用不到金刚石砂轮的!我们公司就是从事光伏产品的制造! 从多晶硅-单晶硅-切片都做的!

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％。

希望能对你有帮助!

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