半导体硅材料的制备

结晶态硅材料的制备方法通常是先将硅石(SiO2)在电炉中高温还原为冶金级硅(纯度95%～99%)，然后将其变为硅的卤化物或氢化物，经提纯，以制备纯度很高的硅多晶。包括硅多晶的西门子法制备、硅多晶的硅烷法制备。在制造大多数半导体器件时，用的硅材料不是硅多晶，而是高完整性的硅单晶。通常用直拉法或区熔法由硅多晶制得硅单晶。

世界上直拉硅单晶和区熔硅单晶的用量约为9：1，直拉硅主要用于集成电路和晶体管，其中用于集成电路的直拉硅单晶由于其有明确的规格，且其技术要求严格，成为单独一类称集成电路用硅单晶。区熔硅主要用于制作电力电子元件，纯度极高的区熔硅还用于射线探测器。硅单晶多年来一直围绕着纯度、物理性质的均匀性、结构完整性及降低成本这些问题而进行研究与开发。

材料的纯度主要取决于硅多晶的制备工艺，同时与后续工序的玷污也有密切关系。材料的均匀性主要涉及掺杂剂，特别是氧、碳含量的分布及其行为，在直拉生长工艺中采用磁场(见磁控直拉法单晶生长)计算机控制或连续送料，使均匀性得到很大改善；对区熔单晶采用中子嬗变掺杂技术，大大改善了均匀性。在结构完整性方面，直拉硅单晶早已采用无位错拉晶工艺，目前工作主要放在氧施主、氧沉淀及其诱生缺陷与杂质的相互作用上。

氧在热处理中的行为非常复杂。直拉单晶经300～500℃热处理会产生热施主，而经650℃以上热处理可消除热施主，同时产生氧沉淀成核中心，在更高温度下处理会产生氧沉淀，形成层错和位错等诱生缺陷，利用这些诱生缺陷能吸收硅中有害金属杂质和过饱和热点缺陷的特性，发展成使器件由源区变成“洁净区”的吸除工艺，能有效地提高器件的成品率。

对硅单晶锭需经切片、研磨或抛光(见半导体晶片加工)后，提供给器件生产者使用。

某些器件还要求在抛光片上生长一层硅外延层，此种材料称硅外延片。

非晶硅材料具有连续无规的网格结构，最近邻原子配位数和结晶硅一样，仍为4，为共价键合，具有短程有序，但是，键角和键长在一定范围内变化。由于非晶硅也具有分开的价带和导带，因而有典型的半导体特性，非晶硅从一晶胞到另一晶胞不具有平移对称性，即具有长程无序性，造成带边的定域态和带隙中央的扩展态，非晶硅属亚稳态，具有某些不稳定性。其制备方法有辉光放电分解法等(见太阳电池材料)。

火加工：

火加工岗位一个重要的制造工序，根据半导行业的特殊要求石英制品的加工必须在达 到一定洁净要求的 室内进行加工作业。它采用焊q设备燃烧氢氧气产生高温火焰，对石英制品进行热 加工作业，大多数产 品都依靠手工作业完成。

半导体工厂机加工：

1.使用外延炉等设备，进行气体纯化、四氯化硅精馏，在单晶片上生长单晶层；

2.使用高温炉，在半导体晶体表面制备氧化层，使杂质由晶片表面向内部扩散或进行其他热处理；

3.使用离子注入设备，将掺杂材料的原子或分子电离加速到一定的能量注入到晶体，并退火激活；

4.使用气相淀积设备，在衬底表面淀积一层固态薄膜；

5.使用光刻机在半导体表面掩膜层上刻制图形；

6.使用机械加工等设备，对晶片加工形成器件台面，并对表面作钝化保护；

7.使用电镀设备，对晶片、半导体器件、集成电路、电级材料的某些部位进行镀覆。

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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