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晶圆为什么是圆形的?

中科院半导体所 来源:半导体全解 2023-12-25 18:11 次阅读

提拉法决定了晶圆是圆的。

接触半导体行业的人,经常听到的一个词叫——晶圆,也常叫做Wafer。

晶圆为什么是圆形的

那就要从晶圆的制造工艺开始谈起了,我们知道制作晶圆的材料是硅,在自然界中硅元素有很多种形态,比如沙子是氧化硅,玻璃是硅酸盐。

要将日常生活中的砂子制作成半导体材料,需要将砂子中的硅元素提炼出来。

怎么提炼呢?

一个字——烧!

赤壁之战决定胜负的是火,芯片制造决定成败的也是火,古往今来,道理都是相通的。制造硅的原始材料是一种称为石英岩的高纯度硅砂(SiO2)。将硅砂与碳化硅混合熔炼得到固体硅:

SiC+SiO2 → Si(固体)+SiO2(气体)+CO(气体)

这个时候硅的纯度还不高,需要进一步熔炼:

Si(固体)+3HC → SiHCl3(气体)+H2(气体)

第二步熔炼后可生成三氯硅烷,将三氯硅烷分解,产生超高纯度多晶硅棒(即包含许多不同大小及方向的单晶区域的硅材料):

SiHCl3(气体)+H2(气体)→Si(固体)+3HCl(气体)

经过这一系列操作烧来烧去,最后高纯硅是下面这样:

9b808a9a-a30d-11ee-8b88-92fbcf53809c.jpg

这图片看上去像一个装满石头的装饰品,也不像晶圆啊。是的,我们现在得到的是多晶硅。多晶硅就像把不同形状的石头放在一个盆子里,石头有了不同的朝向,这个我们称为晶向(晶体方向)。我们在这些“小石头”里选一个我们需要长大晶体,这个小石头称作“籽晶”,正是有了籽晶的引导,后期晶体才会朝向我们需要的方向生长。在晶体生长方法中最常见的是柴可拉斯基法 (Czochralski technique),也可以简单地叫做提拉法。提拉法生长晶圆的过程是这样的:

将装有多晶硅的坩埚,以高频感应或电阻丝加热至硅熔点(1412℃)。在生长过程中,坩埚保持转动,以避免产生局部热或冷的区域。晶体生长装置或称为拉晶仪的周围大气需加以严密控制,以避免熔融硅的污染。氩气常被作为保护气体。

下图是一张关于生长晶圆的设备介绍:

9b9fedcc-a30d-11ee-8b88-92fbcf53809c.jpg

如果嫌上面图片有点复杂,可以看下面这张,蓝色部分就是晶锭:

9bbc4760-a30d-11ee-8b88-92fbcf53809c.png

如果觉得上面两张图都是英文,看不习惯,那就看下面这张图:

9bca5eb8-a30d-11ee-8b88-92fbcf53809c.png

当硅的温度达到稳定状态时,将一个有适当方向(如晶向为〈111〉)的硅籽晶(seed)放入熔融硅中,作为后续生长较大晶体的起始点。当籽晶的底部开始在熔融硅中熔掉时,此时将籽晶的支撑往上拉起。当籽晶慢慢从液中拉起时,吸附在晶体上的熔融硅冷却或固化,依籽晶的晶体结构为样板循序生长。因此籽晶是晶锭生长的催生者,且决定晶体的生长方向。因为在坩埚内的籽晶是一边旋转一边生长,像家里做麦芽糖一样,一边旋转一边往前拉,最后生长出来的晶体就是圆柱体。下面图中黑色的就是晶锭,是一根圆柱形的硅棒。

9be87ea2-a30d-11ee-8b88-92fbcf53809c.jpg

支撑杆持续往上移动,使长出的晶锭越来越大。当坩埚中的熔融硅耗尽时,晶锭生长即大功告成。坩埚温度、坩埚和支撑的旋转速度须小心控制,以精确达到所需要的晶锭直径。如果将圆柱体的晶锭按需要的厚度切开,就成了一片一片的晶圆。下图为一直径200mm的硅晶锭(ingot)及切下来的硅晶圆片(Wafer)。切割下来的晶圆就是圆形。

实际使用中,晶圆边缘会有一个缺口。因为圆形的晶圆没有方向,需要给晶圆里的每个小芯片定坐标标识,就会在晶圆边缘开一个口作为晶圆的基准。

审核编辑:黄飞

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原文标题:晶圆为什么是圆的?

文章出处:【微信号:bdtdsj,微信公众号:中科院半导体所】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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