矽片的製造工藝

矽(Si)是熔點高、硬而脆、具有銀白色金屬光澤的固體,是地球上儲量第二豐富的元素,矽構成地殼總質量的26。4%。矽元素位於元素週期表Ⅳ主族,原子序數為14,相對分子質量為28。09,密度為2。33 g/cm3,熔點為1420℃,沸點為2355℃。

矽片的製造工藝

矽在自然界中主要以二氧化矽和矽酸鹽等形式存在,需要經過較為複雜的冶煉過程和超高的提純加工工藝才能達到和滿足半導體產業生產製造的要求,用於半導體的單晶矽純度要求為99。9999%,甚至達到99。9999999%以上。單晶矽生長方法按照晶體的生長方式不同,可分為直拉法、區熔法和外延法等,其中,以下介紹的直拉法是現在比較主流的單晶矽生長方法。單晶矽透過切片、圓邊、研磨等工序後得到矽片。

矽片的製造工藝

以下是具體流程介紹:(1)熔化。將符合高純度要求的塊狀多晶矽放入單晶爐的坩堝中,依據產品需求的電性特質指標要求加入特定劑量的金屬物質或其他雜質,加熱至1420℃以上的熔化溫度來熔化多晶矽。(2)長晶。當矽熔漿的溫度穩定後,將晶種慢慢下降進入矽熔融體中(晶種在矽熔融體內也會被熔化),隨後將具有一定轉速的晶種按照一定的速度向上提升,最後生產出合格的矽晶柱。

矽片的製造工藝

矽晶柱質量的關鍵在於矽的純度和矽的單晶性。矽晶柱直徑越大,則矽的單晶性越難掌控,質量也越難保證,因此直徑越大的矽晶柱製程的技術門檻也越高。長晶生成矽晶柱的製造過程主要包括潤晶、縮頸、放肩、等徑生長、收尾等複雜的工藝流程。

矽片的製造工藝

(3)切片。矽晶柱完成後需再進行裁切與檢測。對矽晶柱切取試樣,以檢測其電阻率、氧/碳含量和晶體缺陷等技術引數。切片首先使用工業級鑽石模具進行加工,將晶柱磨成平滑圓柱體,並切除頭尾兩端錐狀晶錠的頭和尾,形成標準圓柱,再以內徑鋸片進行切片加工。切片後的矽片厚度、弓形度及撓曲度等特性指標是切片製程質量管控的關鍵。

矽片的製造工藝

(4)圓邊。剛切好的矽片其邊緣皆為銳利的直角,由於其硬而脆的材料特性,直角容易碎裂,且在後續製程中易產生熱應力、破裂、崩邊等其他質量缺陷,除了影響矽片強度,也會成為整個製程中汙染微粒的來源。圓邊就是對矽片邊緣進行倒角加工的過程,也稱倒角。圓邊後的矽片具有光滑的邊緣和較低的中心應力,可以有效地改善和提高矽片整體的機械強度和可加工性。

矽片的製造工藝

(5)研磨、蝕刻、去疵、拋光。研磨是為了去除切割和輪磨後所造成的鋸痕、黏附的碎屑和汙漬等,使矽片表面達到可進行進一步拋光處理的平整度。經前述加工製程後,矽片表面因加工而形成一層損傷層(Damaged Layer),在拋光之前用化學溶液蝕刻予以去除,再以純水沖洗吹乾,利用噴砂法等工藝將矽片上的缺陷處理完善,從而製造出完整而無缺陷的晶圓片材料。

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