【转帖】一文读懂晶体生长和晶圆制备

晶圆是如何生长的？又是如何制备的呢？

本文的主要内容有：沙子转变为半导体级硅的制备，再将其转变成晶体和晶圆，以及生产抛光晶圆要求的工艺步骤。这其中包括了用于制造操作晶圆的不同类型的描述。生长450mm直径的晶体和450mm晶圆的制备存在的挑战性。

更高密度和更大尺寸芯片的发展需要更大直径的晶圆供应。在20世纪60年代开始使用的1英寸直径的晶圆。在21世纪前期业界转向300mm（12英寸）直径的晶圆而现在正转向450mm（18英寸）领域。

更大直径的晶圆是由不断降低芯片成本的要求驱动的。这对晶体制备的挑战是巨大的。在晶体生长中，晶体结构和电学性能的一致性及污染问题是一个挑战。在晶圆制备、平坦性、直径控制和晶体完整性方面都是问题。更大直径意味着更大的质量，这就需要更坚固的工艺设备，并最终完全自动化。一个直径300mm的晶圆生产坯质大约是20磅（7.5kg）并会有50万美元以上的产值。

一个450mm的晶圆质量约800kg，长210cm。这些挑战和几乎每一个参数更高的工艺规格要求共存。与挑战并进和提供更大直径晶圆是芯片制造不断进步的关键。然而，转向更大直径的晶圆是昂贵和费时的。因此，随着产业进入更大直径的晶圆，一些公司仍在使用较小直径的晶圆。

半导体硅制备

半导体器件和电路在半导体材料晶圆的表层形成，半导体材料通常是硅。这些晶圆的杂质含量必须非常低，必须掺杂到指定的电阻率水平，必须是制定的晶体结构，必须是光学的平面，并达到许多机械及清洁度的规格要求。

制造集成电路级硅晶圆分4个阶段进行：

1.     矿石到高纯度气体的转变；

2.     气体到多晶的转变；

3.     多晶到单晶、掺杂晶棒的转变；

4.     晶棒到晶圆的制备。

半导体制备的第一个阶段是从泥土中选取和提纯半导体材料的原料。提纯从化学反应开始。对于硅，化学反应是从矿石到硅化物气体，例如四氟化硅或三氯硅烷。杂质，例如其他金属，留在矿石残渣里。硅化物再和氢反应生成半导体级的硅。这样的硅纯度达99.9999999%，是地球上最纯的物质之一。它有一种称为多晶或多晶硅的晶体结构。

晶体材料

材料中原子的组织结构是导致材料不同的一种方式。有些材料，例如硅和锗，原子在整个材料里重复排列成非常固定的结构，这种材料称为晶体。

原子没有固定的周期性排列的材料被称为非晶体或无定形。塑料就是无定形材料的例子。

晶体生长

半导体晶圆是从大块的半导体材料切割而来的。这种半导体材料，或称为硅锭，是从大块的具有多晶结构和未掺杂本征材料生长得来的。把多晶转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。

使用三种不同的方法来生长单晶：直拉法、液体掩盖直拉法和区熔法。

晶体和晶圆质量

半导体器件需要高度完美的晶体。但是即使使用了最成熟的技术，完美的晶体还是得不到的。不完美，就称为晶体缺陷，会产生不均匀的二氧化硅膜生长、差的外延膜沉积、晶圆里不均匀的掺杂层，以及其他问题而导致工艺问题。在完成的器件中，晶体缺陷会引起有害的电流漏出，可能阻止器件在正常电压下工作。有四类重要的晶体缺陷：

1.     点缺陷；

2.     位错；

3.     原生缺陷；

4.     杂质。

晶圆准备

晶体从单晶炉里出来以后，到最终的晶圆会经历一系列的步骤。第一步是用锯子截掉头尾。

在晶体生长过程中，整个晶体长度中直径是有偏差的。晶圆制造过程有各种各样的晶圆固定器和自动设备，需要严格的直径控制以减少晶圆翘曲和破碎。

直径滚磨是在一个无中心的滚磨机上进行的机械操作。机器滚磨晶体到合适的直径，无须用一个固定的中心点夹持晶体在车床型的滚磨机上操作。

在晶体提交到下一步晶体准备前，必须要确定晶体是否达到定向和电阻率的规格要求。

切片

用有金刚石涂层的内圆刀片把晶圆从晶体上切下来。这些刀片是中心有圆孔的薄圆钢片。圆孔的内缘是切割边缘，用金刚石涂层。内圆刀片有硬度，但不用非常厚。

这些因素可减少刀口尺寸，也就减少了一定数量的晶体被切割工艺所浪费。

对于较大直径的晶圆（大于300mm），使用线切割来保证小锥度的平整表面和最小量的刀口损失。

晶圆刻号

就像我们生产好的高铁轨道一样，每一段上都要刻好工号，以对应相应的生产人，这样来保证产品的可追溯性。

同样的，大面积的晶圆在晶圆制造工艺中有很高的价值，为了保持精确的可追溯性，区别它们和防止误操作是必须的。因而使用条形码和数字矩阵码的激光刻号来区分它们。对300mm的晶圆，使用激光点是一致认同的方法。

磨片

半导体晶圆的表面要规则，且没有切割损伤，并要完全平整。第一个要求来自于很小的尺度制造器件的表面和次表面层。它们的尺寸在0.5~2um之间。为了获得半导体器件相对尺寸的概念，想象下图的剖面和房子一样高，大概8英尺（2.4m），在该范围内，晶圆的工作层都要在顶部有1~2英寸或更小的区域。

平整度是小尺寸图案绝对必要的条件。先进的光刻工艺把所需的图案投影到晶圆表面，如果表面不平，投影将会扭曲，就像电影图像在不平的荧幕上无法聚焦一样。

平整和抛光的工艺分两步：磨片和化学机械抛光。磨片是一个传统的磨料研磨工艺，精调到半导体使用的要求。磨片的主要目的是去除切片工艺残留的表面损伤。

至此，就生产出了表面平整的晶圆。