目录:

一.晶体结构

二、晶面和晶体取向

三。晶体中的缺陷和杂质

四。单晶硅的制备

动词 （verb的缩写）薄片加工

晶体结构

晶体可分为单晶和多晶体。如果原子在整个物质中有规律地、周期性地排列，一种结构贯穿整体，这样的晶体就叫单晶，如应时单晶、硅单晶、岩盐单晶等。多晶是由大量微小的单晶体随机堆叠而成的整体材料。实际的晶体大多是多晶的，比如各种金属材料，电子陶瓷材料。由于多晶体中各晶粒排列的相对取向不同，多晶体的宏观性质往往是各向同性的，其形状是不规则的。硅、锗等半导体材料都属于金刚石结构。

菱形结构可以被看作是嵌套的面心立方单元，它们沿着主体对角线错开对角线长度的四分之一。

晶面和晶体取向

晶体具有各向异性的特性。在研究晶体的物理特性时，通常需要指出它们位于晶体上或沿着晶体的哪个方向。因此引入了晶面和晶向的概念。为了确定和区分不同方向的晶向和晶面，国际上普遍采用米勒指数来统一标定晶向指数和晶面指数。

1.晶向指数:以晶胞的某个突发o为原点，通过原点o设定坐标轴x、y、z，以晶胞的晶格矢量的长度作为坐标轴的长度单位；通过原点O做一条平行于待确定晶向的直线，在直线上选择离原点O最近的阵列点，确定该点的三个坐标值；把这三个坐标值变成最小的整数u，v，w，用方括号括起来。[u v w]是要确定的晶体取向的晶体取向指数。晶体取向指数代表所有相互平行且方向相同的晶体取向。

2.晶面指数设置晶格中的参考坐标系，设置方法与确定晶向指数时相同；在不经过原点的晶面族中选择一个晶面，确定该晶面在各坐标轴上的截距；取每个截距的倒数；把三的倒数变成互质的整数比，加上括号，就是晶面的指数，记为(h k l)。当晶面的某个截距为负时，加& # 34；到相应的索引。-"不会，当晶面平行于某坐标轴时，认为晶面与轴的截距为∞，其倒数为0。该指数不仅代表一个晶面，而且代表所有相互平行的晶面。

根据空之间的几何构型，晶体中的缺陷可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。

1.点缺陷点缺陷是在晶格常数的一个或几个微观区域内，以晶体中的空位置、间隙原子和杂质原子为中心，晶格结构偏离严格周期性而形成的畸变区域。

2.线缺陷晶体内部偏离周期性晶格结构的一维缺陷称为线缺陷。晶体中最重要的线缺陷之一是位错。

3.平面缺陷和体缺陷对于晶体来说，有平面缺陷(堆垛层错)和体缺陷(夹杂物)。由堆垛层错无序引起的缺陷称为堆垛层错，或简称堆垛层错。堆垛层错是一种区域性缺陷。堆垛层错外的原子排列规则，是平面缺陷。当掺杂到晶体中的杂质超过晶体的固溶度时，杂质就会在晶体中沉积，形成体缺陷。

晶体中的杂质

实践表明，微小的杂质和缺陷可以对半导体材料的物理和化学性质产生决定性的影响。

1.施主杂质用磷掺杂到硅中，磷原子占据硅原子的位置。结果，形成了一个正中心和一个额外的价电子。这种杂质称为施主杂质或N型杂质。

2.受主杂质掺杂到硅中，如硼，硼原子占据硅原子的位置。从而形成一个负中心和一个多余的空位点。这种杂质，我们称之为受主杂质或P型杂质。

多晶硅的制备

如今300mm晶圆技术已经成熟，随着直径的增加，其制造难度也相应增加。

生长单晶硅

目前制备单晶硅的方法主要有提拉法和悬浮区熔法，85%以上的单晶硅是用提拉法生长的。

1.单晶炉

单晶炉可分为四部分:炉体、机械传动系统、加热温控系统和气体输送系统。炉体包括炉腔、籽晶轴、应时坩埚、掺杂勺、籽晶盖和观察窗。炉腔是为了保证炉内温度分布均匀，散热良好；籽晶轴的作用是带动籽晶上下移动和旋转；将待掺杂的杂质放入掺杂勺中；籽晶盖用于保护籽晶免受污染。机械传动系统主要控制籽晶和坩埚的运动。为了保证Si溶液不会被氧化，要求炉内真空的程度很高，一般在5Torr以上，加入的惰性气体纯度要在99.9999%以上。

2.成长过程

(1)多晶硅在制备时纯度要很高，要用氢氟酸抛光，达到清洗的目的；种子上的缺陷会& # 34；遗传& # 34；对新生长的晶体，所以在选择籽晶时要注意避免缺陷；晶种的晶体取向与要生长的晶体的取向相同；种子应该清洗干净；根据要生长的晶体的导电类型选择要掺杂的杂质；清洗杂质；所有清洗后的材料用高纯度去离子水洗涤至中性，然后干燥备用。

(2)装炉，将粉碎的多晶硅装入应时坩埚中；将籽晶夹在籽晶轴的卡盘上，盖上籽晶盖；将熔炉抽至true 空并冲洗惰性气体；检查炉体漏风率是否合格。

(3)当加热后的熔融硅真空度符合要求时，充入惰性气体后加热。一般用高频线圈或电流加热器加热，后者常用于拉制大直径硅棒。将多晶体和掺杂剂加热至1420℃熔融状态。

(4)拉晶过程分为以下五个步骤。播种，也叫播种。先将温度降到1420℃以下一点，将籽晶降到离液面几毫米处，预热籽晶2 ~ 3分钟，使熔融硅与籽晶之间的温度达到平衡。预热后，籽晶与熔融硅的液面接触，引晶完成。缩口引晶后，温度升高，通过籽晶的旋转拉出直径为0.5 ~ 0.7 cm的新单晶。该单晶的直径小于籽晶的直径。颈缩的目的是消除籽晶原有的缺陷或引晶过程中温度变化引起的新缺陷。缩口时，拉速要快，但不能太快。过快的拉制速度或较大的直径变化将容易导致多晶形成。

肩膀，脖子向下，放慢速度，降低温度，让晶体生长到需要的直径。等径生长，在定肩完成前缓慢升温，保持直径生长单晶。在生长过程中，浇铸速度和温度应尽可能稳定，以保证单晶的均匀生长。最后，当单晶生长接近尾声时，适当提高温度，增加提拉速度，慢慢减小晶棒直径，拉出一个锥形尾部。目的是避免晶棒离开熔融液体时由于快速冷却造成的缺陷向上延伸。单晶硅的性能测试生长出来的单晶硅需要进行测试，测量参数是否符合要求。

1.物理性能测试

外观检验

晶粒取向试验

测量直径

2.缺陷检查

3.电气参数测试

导电类型测试，非平衡载流子测试

电阻率的测量

薄片加工

晶体必须经过一系列处理以形成硅衬底，即晶片，这符合半导体制造的要求。基本的加工流程是:外观精加工、切片、倒角、打磨抛光等。

1.外观精整(1)切割籽晶部分、肩部、尾部以及目测不符合直径要求的部分，电阻率和结构完整性不符合规范的部分需要切割。

(2)径向研磨晶棒的直径不能完全满足直径要求，一般稍大，需要径向研磨。

(3)研磨定位平面。一旦晶体在切割块上取向，沿轴滚动一个参考平面，其位置沿一个重要的晶面，通过晶体取向检查确定。

2.切片切片决定了晶片的几个特性:厚度、斜度、平行度和翘曲。切片过程如下:固定晶棒，拆卸X射线定位晶片并清洗，拆卸X射线定位切片内圆刀具。

3.倒角倒角就是打磨晶片周围的锐边。其目的如下:防止晶片边缘开裂，防止热应力造成的损伤，增加晶片边缘外延层和光刻胶的平整度。

4.打磨的目的是去除表面的刀痕；消除损伤层；提高平整度，使晶片薄而均匀；增加表面平整度等。

5.修正

(1)抛光，抛光的目标是去除表面细微的损伤层，得到高平整度的光滑表面。抛光方法有两种:机械抛光和化学机械抛光。机械抛光效率太低，耗材量太大。化学抛光的速度大大提高，表面质量也得到改善。

抛光示意图抛光图

(2)缺陷和平整度的检查。需要检查抛光芯片的表面缺陷和表面粗糙度。

表面缺陷检测，分辨率精确到0.05 μm & # 34；魔镜& # 34；观察晶片的不平整表面并检测不良产品。表面粗糙度检查:用原子显微镜测量晶片表面粗糙度，表示表面粗糙度的参数如下:TTV，晶片厚度的最大值和最小值之差，TTV = A-B；TIR，晶圆表面最高点到参考面的距离和最低点到参考面的距离之和，TIR = a+b；；FPD，晶圆表面上一点与参考面之间的最大距离，如果a >: B，则FPD=a，否则，FPD = B。

6.清洗晶片从单晶硅棒拉制开始，经历了切片、研磨、抛光等加工工序。中间暴露出抛光剂、研磨料等各种化学试剂和颗粒。最后，需要去除这些杂质。传统上，晶片清洗方法是湿法化学清洗，该方法已经在该领域应用多年，并被证明是最有效和最具成本效益的清洗技术。目前应用最广泛的湿法化学清洗技术是RCA清洗法。