单晶硅生长及硅片制备技术课件.pptVIP

單晶矽生長及矽片製備技術矽晶片的生長技術單晶矽基片(SiliconWafer)，之所以在諸多半導體元素如鍺(Germanium)或化合物半導體如砷化稼(GaAs)等材料中脫穎而出，成為超大規模積體電路(VLSI)元器件的基片材料，其原因在於，首先，矽是地球表面存量豐富的元素之一，而其本身的無毒性以及具有較寬的帶寬（Bandgap)是它在微電子基片中能夠獲得應用的主要原因。當然，對於高頻需求的元器件，矽材料則沒有如砷化稼般的具有高電子遷移率(ElectronMobility)而受到青睬，尤其是它無法提供光電元件(OptoelectronicDevice)的基體材料。在此方面的應用由砷化稼等半導體材料所取代。其次，從生產技術上考慮，矽材料能以提拉法（柴氏法）大量生長大尺寸的矽單晶棒，它是目前最經濟的、成熟的規模生產工藝技術。多晶矽原料製備技術製造矽晶片的原料仍然是矽，只是從一高純度(99．999999999％)的多晶矽(Polysilicon)轉換成具有一定雜質(Dopant)的結晶矽材料。矽材料是地球豐度較高的元素，它以矽砂的二氧化矽狀態存在於地球表面。從矽砂中融熔還原成低純度的矽，是製造高純度矽的第一步。將二氧化矽與焦碳(Coke)、煤(Coal)及木屑等混合，置於石墨電弧爐中於1500℃～2000℃加熱將氧化物分解還原成矽，可以獲得純度為98％的多晶矽。接下來將這種98％多晶矽純化為高純度多晶矽則需經一系列化學過程將其逐步純化鹽酸化(Hydrochlorination)處理 將冶金級矽置於流床(Fluidized-bed)反應器中通入鹽酸形成三氯化矽，其過程用下式來表示： Si(s)+3HCl(g)→SiHCl3(l)+H2(g)(2.10)蒸餾(Distillation)提純 將上式獲得的低沸點反應物，SiHCl3置於蒸餾塔中，將它與其他的反應雜質(以金屬鹵化物狀態存在)，通過蒸餾的過程去除。分解(Decomposition)析出多晶矽 將上面已純化的SiHCl3置於化學氣相沉積(ChemicalVapordeposition，CVD)反應爐(Reactor)中，與氫氣還原反應使得金屬矽在爐中電極析出，再將此析出物擊碎即成塊狀(Chunk)的多晶矽另外著名的還有以四氯化矽(SiCl4)於流床反應爐中分解析出顆粒狀(Granular)高純度矽，其粒度分佈約在100um至1500um之間，該方法的優點是較低製造成本(能源耗損率極低)，以及可以均勻或連續填充入晶體生長爐，實現矽單晶的不間斷生長。因此它有可能取代部份塊狀多晶矽的原料市場。石英坩堝的製備技術生產中使用的石英坩堝是用天然純度高的矽砂製成。浮選篩檢後的石英砂，被堆放在水冷式的坩堝型金屬模內壁上，模具慢速旋轉以刮出適當的矽砂層厚度及高度。然後送入電弧爐中，電弧在模具中心放出，將矽砂融化，燒結，冷卻便可獲得可用的石英坩堝。這種坩堝內壁因高溫融化快速冷卻而形成透明的非結晶質二氧化矽，外壁因接觸水冷金屬模壁部份矽砂末完全融化，而形成非透明性且含氣泡的白色層。坩堝再經由高溫等離子處理，讓鹼金屬擴散離開坩堝內壁以降低鹼金屬含量。然後再浸塗一層可與二氧化矽在高溫下形成玻璃陶瓷(GlassCeramic)的材料，以便日後在坩堝使用中同時產生極細小的玻璃陶瓷層，增強抗熱潛變特性，及降低二氧化矽結晶成方石英(Cristobalite，石英的同素異形體，在1470℃～1710℃之間的穩定態)從坩堝內壁表面脫落的危險。一般而言，坩堝氣孔大小分佈與白色層厚度、熱傳性質、內壁表面方石英結晶化速率，將影響坩堝的壽命矽單晶生長方法單晶矽的生長是將矽金屬在1420℃以上的溫度下融化，再小心控制液態一固態凝固過程，而長出直徑四寸、五寸、六寸或八寸的單一結晶體。目前常用的晶體生長技術有：(1)提拉法，也稱柴氏長晶法(CzochralskiMethod)，系將矽金屬在石英坩堝中加熱融化，再以晶種(Seed)插入液面、旋轉、上引長出單晶棒(Ingot)；(2)浮融帶長晶法(FloatingZoneTechnique)，系將一多晶矽棒(PolysiliconRod)通過環帶狀加熱器，以產生局部融化現象，再控制凝固過程而生成單晶棒。據估計，柴式長晶法約占矽單晶市場的82％單晶生長爐採用電阻式石墨加熱器進行加熱，加熱器與水冷雙層爐壁間有石墨制的低密度熱保溫材料。為了預防石英坩堝熱潛變導致的坩堝破裂，使用石墨坩堝包覆石英坩堝。此石墨坩堝以焦炭(PetroleumCoke)及瀝青(Coal-TarPitch)為原料研磨成混合物，使用冷等壓制模(isostaticallyMolded)或擠出法(Extruding-Method)，經烘烤、石