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理研科普|半導體工藝全流程之晶體生長和晶圓制備
發(fā)布時間：2022-06-10
半導體制造的工藝過程由硅晶圓制造、硅的氮氧化膜、光刻蝕、氣相沉積、外延生長、刻蝕、拋光以及后期的成品入庫所組成。其中硅晶圓的制造是所需技術(shù)最復雜且資金投入最多的過程。
晶圓，又被叫為硅晶圓，是指制作硅半導體電路所用的硅晶片，其原料就是硅。作為半導體工業(yè)的基礎(chǔ)工序：?
硅晶圓是如何生長的？
它又是如何制備的呢？
在制備過程中有哪些危險氣體伴隨著？
如何安全檢測安全生產(chǎn)？
硅晶圓是如何生長的？
又是如何制備的呢？
制造集成電路級硅晶圓分4個階段進行：?
1.礦石到高純度氣體的轉(zhuǎn)變；
2.氣體到多晶的轉(zhuǎn)變；
3.多晶到單晶、摻雜晶棒的轉(zhuǎn)變；
4.晶棒到晶圓的制備；
半導體制備的第一個階段是從泥土中選取和提純半導體材料的原料。
提純從化學反應(yīng)開始，對于硅，化學反應(yīng)是從礦石到硅化物氣體，例如四氟化硅或三氯硅烷。硅化物再和氫反應(yīng)生成半導體級的硅。這樣的硅純度達99.9999999%，是地球上最純的物質(zhì)之一，它由一種稱為多晶或多晶硅的晶體結(jié)構(gòu)。
材料中原子的組織結(jié)構(gòu)是導致材料不同的一種方式。有些材料，例如硅和鍺，原子在整個材料里重復排列成非常固定的結(jié)構(gòu)，這種材料稱為晶體。圖片來源@網(wǎng)絡(luò)，侵刪
原子沒有固定的周期性排列的材料被稱為非晶體或無定形，塑料就是無定形材料的例子。
半導體晶圓是從大塊的半導體材料切割而來的。這種半導體材料，或稱為硅錠，是從大塊的具有多晶結(jié)構(gòu)和未摻雜本征材料生長得來的。把多晶轉(zhuǎn)變成一個大單晶，給予正確的定向和適量的N型或P型摻雜，叫做晶體生長。
通常使用三種不同的方法來生長單晶：
直拉法；
液體掩蓋直拉法；
區(qū)熔法；
半導體器件需要高度完美的晶體。但是即使使用了最成熟的技術(shù)，完美的晶體還是得不到的。不完美，就稱為晶體缺陷，會產(chǎn)生不均勻的二氧化硅膜生長、差的外延膜沉積、晶圓里不均勻的摻雜層，以及其他問題而導致工藝問題。
在完成的器件中，晶體缺陷會引起有害的電流漏出，可能阻止器件在正常電壓下工作。
晶體從單晶爐里出來以后，到最終的晶圓會經(jīng)歷一系列的步驟。第一步是用鋸子截掉頭尾。在晶體生長過程中，整個晶體長度中直徑是有偏差的。晶圓制造過程有各種各樣的晶圓固定器和自動設(shè)備，需要嚴格的直徑控制以減少晶圓翹曲和破碎。圖片來源@網(wǎng)絡(luò)，侵刪
直徑滾磨是在一個無中心的滾磨機上進行的機械操作，機器滾磨晶體到合適的直徑。這些刀片是中心有圓孔的薄圓鋼片，圓孔的內(nèi)緣是切割邊緣，用金剛石涂層。圖片來源@網(wǎng)絡(luò)，侵刪
就像我們生產(chǎn)好的高鐵軌道一樣，每一段上都要刻好工號，以對應(yīng)相應(yīng)的生產(chǎn)人，這樣來保證產(chǎn)品的可追溯性。
半導體晶圓的表面要規(guī)則，且沒有切割損傷，并要完全平整。圖片來源@網(wǎng)絡(luò)，侵刪磨片是一個傳統(tǒng)的磨料研磨工藝，精調(diào)到半導體使用的要求，主要目的是去除切片工藝殘留的表面損傷。硅晶圓生產(chǎn)過程中 正如上一篇文章《理研科普|半導體制造業(yè)和這些氣體相愛相殺！》提到的，我國半導體工業(yè)近年來發(fā)展迅速，半導體芯片廠使用了太多以往并不曾使用的各種特殊材料氣體，而且其用量有強勁的上升趨勢。特殊材料氣體所具有的危害性是非常多的，包括毒性、自燃性、助然性、自行分解性、窒息性、腐蝕性等，特別是其毒性一般都是非常強的。
一方面，這些特殊材料氣體中有許多對人體有害的物質(zhì)，另一方面，易燃易爆的特驕材料氣體例如硅烷(Siln)泄漏后易引起火災爆炸的事故發(fā)生。
另外，這些氣體多在潔凈室(Clean room)內(nèi)其有密封性的環(huán)境中使用，一旦發(fā)生泄漏時危險性極大，其損失也非常龐大。
硅晶圓的制造生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)有氯氣、氫氣、三氯氫硅、氯化氫等，生產(chǎn)過程中存在火災，爆炸，中毒，窒息等諸多危險。同時，由于整個作業(yè)需要在Ar環(huán)境下進行，如果Ar泄漏則會引起缺氧！
氫氣與空氣混合能形成一種混合比范圍很寬的混合物，且點燃混合物能量低，遇熱或明火即會發(fā)生爆炸。氣體比空氣輕，在室內(nèi)使用和儲存時，漏氣上升滯留屋頂不易排出，遇火星會引起爆炸。氫氣與氟、氯、溴等鹵素會劇烈反應(yīng)。
在多晶硅生產(chǎn)中，要把三氯氫硅和四氯化硅充分還原，必須加入多量的還原劑氫氣加速反應(yīng)進行。并且在多晶硅生產(chǎn)過程中，氫氣和三氯氫硅混合氣體在還原爐中還原效率比較低，氫氣參與反應(yīng)10±3%，剩余的90±3%以及反應(yīng)生成的氯硅烷，就需要進行回收處理，以便達到節(jié)能降耗，減少環(huán)境污染目的。
氫氣易燃易爆危險性以及在多晶硅行業(yè)中的應(yīng)用，決定了氫氣安全生產(chǎn)重要性。它不僅關(guān)系到多晶硅生產(chǎn)成本和產(chǎn)品質(zhì)量，而且關(guān)系到多晶硅整條生產(chǎn)線安全穩(wěn)定性以及千家萬戶的幸福。
氧氣是易燃物、可燃物燃燒爆炸的基本要素之一，能氧化大多數(shù)活性物質(zhì)。與易燃物(如乙炔、甲烷等)形成有爆炸性的混合物。?
氯氣有刺激性氣味，能與許多化學品發(fā)生爆炸或生成爆炸性物質(zhì)。幾乎對金屬和非金屬都起腐蝕作用。屬高毒類。是一種強烈的刺激性氣體。
無水氯化氫無腐蝕性，但遇水時有強腐蝕性。能與一些活性金屬粉末發(fā)生反應(yīng)，放出氫氣。遇氰化物能產(chǎn)生劇毒的氰化氫氣體。
三氯氫硅遇明火強烈燃燒。受高熱分解產(chǎn)生有毒的氯化物氣體。與氧化劑發(fā)生反應(yīng)，有燃燒危險。極易揮發(fā)，在空氣中發(fā)煙，遇水或水蒸氣能產(chǎn)生熱和有毒的腐蝕性煙霧。燃燒(分解)產(chǎn)物:氯化氫、氧化硅。
四氯化硅受熱或遇水分解放熱，放出有毒的腐蝕性煙氣。
氫氟酸腐蝕性極強。遇H發(fā)泡劑立即燃燒。能與普通金屬發(fā)生反應(yīng)，放出氫氣而與空氣形成爆炸性混合物。有毒，最小致死量（大鼠，腹腔）25mG/kG；有腐蝕性，能強烈地腐蝕金屬、玻璃和含硅的物體。如吸入蒸氣或接觸皮膚能形成較難愈合的潰瘍。
硝酸具有強氧化性。與易燃物(如苯)和有機物(如糖、纖維素等)接觸會發(fā)生劇烈反應(yīng)，甚至引起燃燒。與鹼金屬能發(fā)生劇烈反應(yīng)。具有強腐蝕性。
氮氣若遇高熱，容器內(nèi)壓增大。有開裂和爆炸的危險。
氟化氫腐蝕性極強。若遇高熱，容器內(nèi)壓增大，有開裂和爆炸的危險。
氫氧化鈉具有強腐蝕性、強刺激性，可致人體灼傷。
理研計器-氣體檢測行業(yè)專家
氫氣等氣體易燃易爆，三氯氫硅、四氯化硅和氯化氫等氣體易揮發(fā)潮解，它們均會在空氣或氧氣中燃燒甚至爆炸，嚴重危及企業(yè)及生命的事故接連不斷；因此在多晶硅行業(yè)中氫氣生產(chǎn)更需要有高度的責任心，成熟的工藝，精干的技術(shù)，完善的制度，確保氫氣安全生產(chǎn)。
首先牢固樹立安全理念，強化責任心，集中精力，腳踏實地，建立一系列工藝安全保障制度，做到心中有數(shù)，臨危不亂。
其次，配備必要的檢測工具，氣體檢測儀器是安全穩(wěn)定生產(chǎn)的保證。準確無誤的儀表測試是整個多晶硅系統(tǒng)的安全屏障 工藝中使用的H2或者副產(chǎn)物產(chǎn)生的H2泄漏而引起的爆炸事故，所以需要檢測儀器及時檢測H2泄漏氣體，以防止爆炸；
在反應(yīng)中會使用到Cl2或HCl氣體，容易引起中毒，也應(yīng)該及時檢測Cl2和HCl！
作為專業(yè)的氣體檢測儀器制造廠商，理研計器針對多晶硅的安全生產(chǎn)管理，研發(fā)了GD-70D、RM-5000、SC-8000、SP-220、?NC-1000等固定在線與便攜式安全檢測儀器，有效確保工人的安全和生產(chǎn)設(shè)備不被損壞。
作為半導體制造工廠氣體的使用者，每一位工作人員都應(yīng)該在使用前對各種危險氣體的安全數(shù)據(jù)加以了解，并且應(yīng)該知道如何應(yīng)對這些氣體外泄時的緊急處理程序。
為了防止這些氣體在正常狀況下之微量泄漏或在特殊緊急狀況下的大量泄漏而造成難以彌補的生命財產(chǎn)的損失，必須針對這些危險性氣體，在使用、儲存時，采取適當?shù)陌踩珜Σ呒右员O(jiān)控，例如裝設(shè)有害氣體泄漏檢測系統(tǒng)，就可以將災害程度降至最低。
氣體檢測儀在現(xiàn)今半導體工業(yè)已成為必備的環(huán)境監(jiān)控儀器，也是最為直接的監(jiān)測工具。
結(jié)語結(jié)語
半導體制造業(yè)被美國Factory Mutual System(FMS)列為”極高風險”的行業(yè)。主要是因為它在制程中要使用到極高毒性，腐蝕性及易燃性氣體，氣體檢測系統(tǒng)一直是半導體芯片廠廠務(wù)各系統(tǒng)中最重要環(huán)節(jié)之一，設(shè)計上的優(yōu)劣會直接影響到整個廠的安全，同時作為使用儀器的工廠安全人員也應(yīng)該具備氣體檢測的安全意識。
理研計器擁有600多種氣體傳感器和100多種氣體探測器，未來，我們?nèi)詫⒉粩嚅_發(fā)新產(chǎn)品、研發(fā)各項新功能，使得氣體檢測儀在應(yīng)用上更先進、更適合日新月異的市場環(huán)境，致力于為用戶提供一個最可靠、最準確、最安全的氣體檢測方案。
選擇氣體檢測儀，不能馬虎大意，理研計器80多年氣體檢測行業(yè)經(jīng)驗，一直關(guān)注各個行業(yè)的氣體安全狀況，極力解決用戶遇到的各種問題，針對不同環(huán)境下的氣體檢測，為用戶選配適合原理的檢測儀，用成熟的工藝完善氣體檢測系統(tǒng)。自1939年成立以來，理研計器一直用科學的方法營造氣體安全。80多年來一直關(guān)注各個行業(yè)的氣體安全狀況，極力解決用戶遇到的各種問題，針對不同環(huán)境下的氣體檢測，為用戶選配適合原理的檢測儀，用成熟的工藝完善氣體檢測系統(tǒng)。今后，我們將繼續(xù)在研發(fā)上投入了巨大的力量，用高端精湛的技術(shù)“為人們締造安心的工作環(huán)境”。
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