第六章硅片的制备与清洗
哈尔滨工程大学
半导体器件与工艺
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半导体级硅
硅是用来制造芯片的主要半导体材料，也是半导体产业中最重要的材料。对于可用于制造半导体器件的硅而言，使用一种特殊纯度级以满足严格的材料和物理要求。
在硅片上制作的芯片的最终质量与开始制作时所采用的硅片的质量有直接关系。如果原始硅片上有缺陷，那么最终芯片上也肯定会存在缺陷。
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(2)通过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯硅烷Si(s)+3HCI,(g)+H?(g)+加热
(3)利用西门子方法，通过三氯硅烷和氢气反应来生产SGS2SiHCl,g)+2H?(g)→2Si(s)+6HCl(g)
用来做芯片
semiconductor-gr
被称做电子级硅。
制备半导体级硅(SGS)的过程：
(1)用碳加热硅石来制备冶金级硅
半导体级硅
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晶体结构
不仅半导体级硅的超高纯度对制造半导体器件非常关键，而且它也要有近乎完美的晶体结构。只有这样才能避免对器件特性非常有害的电学和机械缺陷。
是一种固体材料，在许多围内原子都在三
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图4.2晶体结构的原子排列
非晶材料
非晶硅对生产半导体器
件所需的硅片来讲是没有任何用处的，这是因为器件的许多电学和机械性质都与它的原子级结构有关。这就要求重复性的结构使得芯片与芯片之间的性能有重复性。
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晶胞
在晶体材料中，对于长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞。
在一个晶体结构中，晶胞紧密地排列，因此存在共有原子。共有原子非常重要，因为晶胞是通过它们来组成一个紧密连接在一起的晶格结构的。在金刚石面心立方晶胞中每个角上的原子被8个晶胞所共有，每个面上的原子被2个晶胞所共有。因此每个面心立方晶胞
包含4个完整原子。
图4.5面心立方(FCC)晶胞
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对于硅晶体来说，晶胞和金刚石晶体结构的面心立方结构晶胞不同，除了面心立方所具有的那些共有原子之外，还包括完全位于立方结构中的4个原子。对于硅晶胞来说，总共有8个完整原子，其中4个共有原子和4个非共有原子。
图4.6硅晶胞：面心立方金刚石结构
晶胞
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多晶和单晶结构
如果晶胞不是有规律地排列，那么这种材料就叫多晶材料。如果从提纯工艺中得到的半导体级硅是多晶结构，就叫做多晶硅(polycrystal)。如果晶胞在三维方向上整齐地重复排列，那这样的结构就叫单晶(monocrystal)、英文的另一种表达方式是singlecrystal。
晶向
晶向非常重要，因为它决定了在硅片中晶体结构的物理排列是怎样的。不同晶向的硅片的化学、电学和机械性质都不一样，这会影响工艺条件和最终的器件性能。如果晶体是单晶结构，那么所有的晶胞就都会沿着这个坐标轴重复地排列。
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多晶和单晶结构
硅晶体平面上的方向由一套称做密勒指数的参数所描。在密勒系统的符号里，小括号()用来表示特殊的平面，而尖括号表示对应的方向。
图4.9晶面的密勒指数
(111}
(110)
(1001
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单晶硅生长—CZ法
晶体生长是把半导体级硅的多晶硅转换成一块大的单晶硅。生长后的单晶硅被称为硅单晶锭。现在生产用于硅片制备的单晶硅锭最普遍的技术是Czochralski(CZ)法，是按照发明者的名字来命名的。
夜体变为有正确
需要晶向的单
为了用CZ法得到单晶硅，在熔化了的硅和单晶硅籽晶的接触面的条件要精确控制。这些条件保证薄层硅能够精确复制籽晶结构，并最后生长成一个大的硅锭。这些是通过CZ拉单晶炉的设备得到的。
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硅中的晶体缺陷
层错
层错与晶体结构有关，经常发生在晶体生长过程中。滑移
就是一种层错，它沿着一个或更多的平面发生滑移。
另一种层错是孪生平面，就是在一个平面上，晶体沿着两个不同的方向生长。
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硅片制备
硅是硬而脆的材料，晶体生长后的硅锭对半导体制造来说用处很小。圆柱形的单晶硅锭(又叫单晶锭)要经过一系列的处理过程，最后形成硅片，才能达到半导体制造的严格要求。这些硅片制备步骤包括机械加工、化学处理、表面抛光和质量测量。硅片制备的基本流程如图所示。
晶体生长磨片倒角清洗
图4.19硅片制备的基本工艺步骤13
检查
包装
整型
切片
刻蚀
抛光
硅片制备
整型处理
硅单晶锭在拉单晶炉中生长完成后，整型处理是接下来的第一步工艺。整型处理包括在切片之前对单晶硅锭做的所有准备步骤。
■去掉两端第一步是把硅单晶锭的两端去掉。当两端被去掉后，可用四探针来检查电阻以确定整个硅单晶锭达