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發布時間:2022-03-18作者來源:薩科微瀏覽:2866
揭秘!怎樣把沙子變成99.999999999%純度的芯片原材料硅片
高純度的單晶硅片是制造各種芯片的基礎材料,半導體級硅的純度極高,通常要達到99.9....%(小數點后面7至9個9,甚至是12個9),且為單晶,即硅原子晶格統一朝向。
當然這里所說的純度一般是僅考慮不含金屬雜質的純度,不包括氧、碳等雜質。
如果你關注芯片比較多的話,應該知道這些純度極高的單晶硅片是從砂子制造而來的,今天我們就來看下具體的制造過程。講的是正兒八經的工業硅生產流程,這樣就排除了一些形形色色的小眾方法了。
通常是在石墨電弧爐中進行,將石英巖(或沙子)與焦炭、煤及木屑等混合,加熱到1500到2000攝氏度時進行碳熱還原反應。
具體的反應式如上圖,這一步制造的硅被稱為冶金硅,其純度可以達到 96-99%。冶金硅的主要用途主要用于鋁合金和有機硅工業,其純度還達不到半導體級別硅的標準,需要進一步的提純。
當然,上面的反應方程式是一個總體的過程,實際上在石墨電弧爐發生了復雜的熱化學反應,如上圖,反應的過程中還產生了碳化硅,一氧化硅等中間物。
大型企業一般采用的是大容量電爐,原料準備、配料、加料、電機壓放等機械自動化程度高,并具備獨立的煙氣凈化系統。上圖是工業硅的生產工藝流程。
這一步實現的方法有很多,總的來說,都要先將粗硅制成鹵化物或氫化物來進行提純,而后再變成高純度的硅。
現有的方法主要包括:三氯氫硅還原法、硅烷熱分解法、流化床法、冶金法。目前在工業上規模生產的主要方法是三氯氫硅還原法。
整個的工業化流程如上圖所示,最早由西門子公司發明,所以又被稱為西門子法。目前全世界生產多晶硅的工廠共有10家,其中70%的產出來自于西門子法,其整個的過程可分為三大塊:
1、三氯氫硅的合成。
反應方程如上圖。將硅粉(SI)和氯化氫(HCl)即鹽酸在300度和0.45兆帕的壓力下,經過催化合成反應生成三氯氫硅(又被稱為三氯硅烷或硅氯仿),這一過程被稱為氯化粗硅。
2、三氯氫硅的純化。
目前工業上有完善的精熘提純解決方案,一般使用5-9塔連續精熘,其所提純的三氯氫硅雜質總量在量級,已達到半導體級純度要求,用其生產的硅不需要再經過一級物理提純。
3、三氯氫硅的氫還原反應。
反應方程如上。使用氫氣作為還原劑,將氫通入三氯氫硅液體中鼓泡,使高純硅沉積在1100-1200度的高純硅細棒上(通常在用于沉積的純硅細棒上通上大電流,使其達到所需的溫度),生成的多晶硅棒直徑可達到15-20厘米。用于還原的氫氣必須也是高純度的。
對于微電子工業來說,這是極其重要的一步,是從多晶到單晶,本質上就是要把硅原子由液相的隨機排列直接變為有序陣列,由不對稱結構變為對稱結構。但這種轉變是通過固液界面的移動完成的,這種要求決定了單晶硅是從熔融的多晶硅中生長出來的,應用最廣泛的便是坩堝直拉法。這種方法又被稱為切克勞斯基法,由其在1917年建立的晶體生長方法,簡稱CZ法,
其基本過程是這樣的:
首先將多晶硅塊和摻雜劑放入單晶爐中的石英坩堝中,使其溫度保持在1420攝氏度以上。
然后,將一根直徑很細的(通常只有1CM)的單晶硅棒(稱之為籽晶)放入其中,通過控制好溫度,在熔融的多晶硅液體和單晶硅棒固液交界面上,硅原子就會順著籽晶的硅原子排列結構形成規則的結晶。
通過,讓籽晶一點點的旋轉上升,這時,更多的硅原子就會繼續沉積在之前的單晶層上,只要環境穩定,就可以周而復始地形成結晶,最后形成一根圓柱形的原子排列整齊的硅單晶晶體。即硅單晶錠。
控制直徑,保證晶體等徑生長是單晶制造的重要環節。當結晶加快時,晶體直徑會變粗,提高升速可以使直徑變細,提高溫度能抑制結晶速度。反之,若結晶變慢,直徑變細,則通過降低拉速和降溫進行控制。
拉晶開始,先引出一直徑為 3~5 mm 的細頸,以消除結晶位錯,這個過程稱為引晶。然后放大單晶體直徑至工藝要求,進人等徑階段,直至大部分硅融液都結晶成單晶錠,只剩下少量剩料。
硅的熔點約為 1450℃,拉晶全程始終保持在高溫負壓的環境中進行。直徑檢測必須隔著觀察窗在拉晶爐體外部非接觸式實現。
拉晶過程中,固態晶體與液態融液的交界處會形成一個明亮的光環,亮度很高,稱為光圈。光圈其實是固液交界面處的彎月面對坩堝壁亮光的反射。當晶體變粗時,光圈直徑變大,反之則變小。通過對光圈直徑變化的檢測,可以反映出單晶直徑的變化情況。
整個過程看似很簡單的樣子,其實在工程上有多達13個步驟,每一步驟都涉及很多的操作細節。同時,隨著技術和工藝的迭代,在直拉法制晶的基礎上,又發展出磁場直拉法,連續加料工藝,這里就不再贅述了。
簡單來說就是將單晶硅錠切成一片片的硅片。
半導體所用硅片和太陽能電池板所用的硅片其加工程序稍有不同,一般需要對單晶硅棒進行切斷、滾圓、切片、倒角、磨片、化學腐蝕和拋光等一系列工藝,中間還要穿插不同程序的化學清洗。
下面講一講最主要的步驟:切片
切片通常使用內圓切割機和線切割機。
內圓切割機就是使用的是一種環狀刀片,中空,環狀刀片的內環邊緣用顆粒狀金剛石,將硅碇放在中間的圓環中來回動,這種環抱式的切割方法比通常的電鋸式切割要更加的穩定,但這種方法損耗大,對硅片的損傷也大。
另一種方法是線切割,通過粘有金剛石的金屬絲(直徑在180微米左右)的運動來達到切割的目的,這種方法產生的應力小,對硅片的損傷小,但切割生成的硅片平整度稍差(有大的起伏),把以線切割通常主要用作對平整度要求不高的太陽能電池上。
好了,對于半導體行業,從砂子到硅片的整個過程就大致講完了
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