硅片是怎么來的-SD卡存儲晶圓的由來
更新時間：2017-05-25 點擊次數(shù)：次字號：T|T
晶圓制備–如何從沙子到wafer
為什么用為什么用沙子做為原材料來制備晶圓？選擇沙子的主要原因是因為沙子的主要成分是SiO2，而半導(dǎo)體的原材料就是硅(Si)，所以直接從沙子里面提取就可以了。其次是他便宜，因為它取之不盡用之不竭，沙子到處都是吧。而且Si在地球的元素含量僅次于氧，多的很呢。當(dāng)然為什么后面又發(fā)展到GaAs、SiGe、GaN？我后面再講，主要是因為禁帶寬度。
先簡單講下硅(Si)的特性吧，臺灣的教材叫做“矽”。英文名叫Silicon。原子序號為14，原子量為28。在晶格中Si-Si鍵的長度是2.352A，固體密度是2.33g/cm3，熔點是1414C，正四面體結(jié)構(gòu)。說起晶格，自然就有晶向和晶面的概念，我們的半導(dǎo)體晶向有<100>，<110>和<111>三種晶向，晶面自然就有[100]，[110]和[111]三種，分別如下圖所示。所以沿著晶向(正對著晶面)的放下看下去你看到的原子排布是不一樣的(想象下立方體各個角度看到的頂點)，如果用蝕刻去吃Si，所以在每個面沿著晶格吃下去的凹坑也會不一樣了(這就是為什么有各種各樣的晶格缺陷)
上面講的完整的晶格，當(dāng)然很多情況下晶格都是有缺陷的，有Si脫離晶格進(jìn)入間隙，有雜質(zhì)不在晶格上而在間隙里(interstitial)，當(dāng)然多個缺陷在一起那就是錯位了(dislocation)，比如層錯、位錯、堆垛層錯(stacking faults)等等。而這些dislocation都是將來俘獲載流子的中心(Trapping center)導(dǎo)致載流子壽命降低而影響電性或產(chǎn)生漏電。
簡單點講就是要提純成多晶硅，然后再用多晶硅為原材料制造單晶硅。
1. 多晶硅提純：
先是沙子(SiO2)與碳在高溫下(2000C)置換反應(yīng)，生成硅和CO2。此時的硅為冶金級別的(MGS: Metallic Grade Silicon)，也就是粗制的多晶硅。
然后再用MGS的硅與HCl在300C下反應(yīng)生成TCS(SiHCl3)，然后經(jīng)過過濾和冷凝可以得到純度為99.99999%的液態(tài)SiHCl3/TCS，這樣就完成了提純(purifier)的動作。
接下來用提純的TCS與H2在1100C下反應(yīng)，生成電子級別的(EGS: electric grade silicon)多晶硅和HCl，注意此時雖然有高溫但是還是多晶硅。(用H2通入液態(tài)的SiHCl3里面，所以H2既作為反應(yīng)氣體，也作為SiHCl3的攜帶氣體/Carrier gas)
2. 單晶硅制作：因為晶體的生長一定需要有一個子晶(seed)，需要沿著子晶的晶向繼續(xù)生長，所以我們需要有個坩堝(Quartz Crucible)盛裝要熔融的多晶硅，待多晶在坩堝中熔化后，再將子晶放入坩堝中勻速轉(zhuǎn)動并且向上提拉，則熔融的硅會沿著子晶晶向長成一個圓柱體的硅錠(ingot)。這種方法就是現(xiàn)在一直在用的CZ法(Czochralski)，也叫單晶直拉法。當(dāng)然還有一種方法叫區(qū)熔法(FZ, Floating Zone)，以前在6寸時候見過，據(jù)說因為沒有坩堝了，所以因坩堝引入的雜質(zhì)比較少，但價格比較昂貴，且無法做大尺寸，僅用于高壓器件制作。
如何從硅錠到每一片硅片？
1. 切邊/切槽: 我們的wafer都有個Notch (6寸是平邊/flat)，這個是在ingot做好的時候就要切好的，切成片就沒法做了。這個notch或平邊不是隨便切的哦，它必須沿著<110>向切，所以Wafer規(guī)格上規(guī)定Notch orientation為110+/-1deg。還有notch的深度以及平邊大小都是有SEMI M1規(guī)定的，6寸用的平邊一般有兩種47.5mm和57.5mm兩種，取決你的機(jī)臺。而8寸的wafer的notch都是統(tǒng)一的深度約1~1.25mm，角度~90deg，半徑0.9mm等。(平邊和notch都是用來對位用的，但是平邊比較浪費。)
晶圓制備–如何從沙子到wafer？-《芯苑》
2. 切割硅錠(ingot)成wafer：這就跟切黃瓜一樣了，O(∩_∩)O哈哈~。不一樣的地方在于，為了high throughput，我們采用了線切割(一次可以切很多片)。還有一個與切黃瓜不一樣的是，我們都是圓形內(nèi)凹刀口，刀子轉(zhuǎn)動但硅錠/ingot只平移不做轉(zhuǎn)動，因為內(nèi)凹的刀口接觸面積大，ingot不動的原因是怕刀口碰到notch。(發(fā)揮下想象力吧~~~)。每片wafer的厚度由兩個刀片之間的距離決定，一般4寸為525mm，5寸是625mm，6寸為675mm，8寸為725mm，12寸為775mm。
3. 倒角(Edge rounding)：剛切好的wafer邊緣一定是尖銳的柱狀體，這個時候稍微碰一下可能就磕碎了，因為太脆弱了，所以需要把它磨成圓的減少應(yīng)力。轉(zhuǎn)動wafer在一個固定的槽子里面磨就行，類似磨刀。
4. 拋光(Lapping)：因為剛剛切下來的wafer，表面一定有很多損傷，而且表面粗糙，所以這一步類似CMP功效用slurry去磨平，所以我們的wafer有時候也叫polish wafer。
5. 濕法蝕刻(wet etch)：因為剛才的拋光還是機(jī)械的磨平，所以還是無法完全去除損傷，所以需要一步化學(xué)反應(yīng)去除表面缺陷。主要用4:1:3的HNO3+HF+CH3COOH(醋酸)。硝酸氧化，HF吃SiO2。
6. 退火(Anneal)：怕有晶格損傷，所以退火可以去除晶格損傷，一般用Ar氣體，所以我們有時候看到我們的flow用Ar anneal的wafer。用Ar的原因是因為Ar是惰性氣體不反應(yīng)，不用H2的原因以前據(jù)說是會導(dǎo)致表面濃度發(fā)生變化，原因我也不知道。
(編輯：15920099428)
