硅片是怎么来的-SD卡存储晶圆的由来
更新时间：2017-05-25 点击次数：次字号：T|T
晶圆制备–如何从沙子到wafer
为什么用为什么用沙子做为原材料来制备晶圆？选择沙子的主要原因是因为沙子的主要成分是SiO2，而半导体的原材料就是硅(Si)，所以直接从沙子里面提取就可以了。其次是他便宜，因为它取之不尽用之不竭，沙子到处都是吧。而且Si在地球的元素含量仅次于氧，多的很呢。当然为什么后面又发展到GaAs、SiGe、GaN？我后面再讲，主要是因为禁带宽度。
先简单讲下硅(Si)的特性吧，台湾的教材叫做“矽”。英文名叫Silicon。原子序号为14，原子量为28。在晶格中Si-Si键的长度是2.352A，固体密度是2.33g/cm3，熔点是1414C，正四面体结构。说起晶格，自然就有晶向和晶面的概念，我们的半导体晶向有<100>，<110>和<111>三种晶向，晶面自然就有[100]，[110]和[111]三种，分别如下图所示。所以沿着晶向(正对着晶面)的放下看下去你看到的原子排布是不一样的(想象下立方体各个角度看到的顶点)，如果用蚀刻去吃Si，所以在每个面沿着晶格吃下去的凹坑也会不一样了(这就是为什么有各种各样的晶格缺陷)
上面讲的完整的晶格，当然很多情况下晶格都是有缺陷的，有Si脱离晶格进入间隙，有杂质不在晶格上而在间隙里(interstitial)，当然多个缺陷在一起那就是错位了(dislocation)，比如层错、位错、堆垛层错(stacking faults)等等。而这些dislocation都是将来俘获载流子的中心(Trapping center)导致载流子寿命降低而影响电性或产生漏电。
简单点讲就是要提纯成多晶硅，然后再用多晶硅为原材料制造单晶硅。
1. 多晶硅提纯：
先是沙子(SiO2)与碳在高温下(2000C)置换反应，生成硅和CO2。此时的硅为冶金级别的(MGS: Metallic Grade Silicon)，也就是粗制的多晶硅。
然后再用MGS的硅与HCl在300C下反应生成TCS(SiHCl3)，然后经过过滤和冷凝可以得到纯度为99.99999%的液态SiHCl3/TCS，这样就完成了提纯(purifier)的动作。
接下来用提纯的TCS与H2在1100C下反应，生成电子级别的(EGS: electric grade silicon)多晶硅和HCl，注意此时虽然有高温但是还是多晶硅。(用H2通入液态的SiHCl3里面，所以H2既作为反应气体，也作为SiHCl3的携带气体/Carrier gas)
2. 单晶硅制作：因为晶体的生长一定需要有一个子晶(seed)，需要沿着子晶的晶向继续生长，所以我们需要有个坩埚(Quartz Crucible)盛装要熔融的多晶硅，待多晶在坩埚中熔化后，再将子晶放入坩埚中匀速转动并且向上提拉，则熔融的硅会沿着子晶晶向长成一个圆柱体的硅锭(ingot)。这种方法就是现在一直在用的CZ法(Czochralski)，也叫单晶直拉法。当然还有一种方法叫区熔法(FZ, Floating Zone)，以前在6寸时候见过，据说因为没有坩埚了，所以因坩埚引入的杂质比较少，但价格比较昂贵，且无法做大尺寸，仅用于高压器件制作。
如何从硅锭到每一片硅片？
1. 切边/切槽: 我们的wafer都有个Notch (6寸是平边/flat)，这个是在ingot做好的时候就要切好的，切成片就没法做了。这个notch或平边不是随便切的哦，它必须沿着<110>向切，所以Wafer规格上规定Notch orientation为110+/-1deg。还有notch的深度以及平边大小都是有SEMI M1规定的，6寸用的平边一般有两种47.5mm和57.5mm两种，取决你的机台。而8寸的wafer的notch都是统一的深度约1~1.25mm，角度~90deg，半径0.9mm等。(平边和notch都是用来对位用的，但是平边比较浪费。)
晶圆制备–如何从沙子到wafer？-《芯苑》
2. 切割硅锭(ingot)成wafer：这就跟切黄瓜一样了，O(∩_∩)O哈哈~。不一样的地方在于，为了high throughput，我们采用了线切割(一次可以切很多片)。还有一个与切黄瓜不一样的是，我们都是圆形内凹刀口，刀子转动但硅锭/ingot只平移不做转动，因为内凹的刀口接触面积大，ingot不动的原因是怕刀口碰到notch。(发挥下想象力吧~~~)。每片wafer的厚度由两个刀片之间的距离决定，一般4寸为525mm，5寸是625mm，6寸为675mm，8寸为725mm，12寸为775mm。
3. 倒角(Edge rounding)：刚切好的wafer边缘一定是尖锐的柱状体，这个时候稍微碰一下可能就磕碎了，因为太脆弱了，所以需要把它磨成圆的减少应力。转动wafer在一个固定的槽子里面磨就行，类似磨刀。
4. 抛光(Lapping)：因为刚刚切下来的wafer，表面一定有很多损伤，而且表面粗糙，所以这一步类似CMP功效用slurry去磨平，所以我们的wafer有时候也叫polish wafer。
5. 湿法蚀刻(wet etch)：因为刚才的抛光还是机械的磨平，所以还是无法完全去除损伤，所以需要一步化学反应去除表面缺陷。主要用4:1:3的HNO3+HF+CH3COOH(醋酸)。硝酸氧化，HF吃SiO2。
6. 退火(Anneal)：怕有晶格损伤，所以退火可以去除晶格损伤，一般用Ar气体，所以我们有时候看到我们的flow用Ar anneal的wafer。用Ar的原因是因为Ar是惰性气体不反应，不用H2的原因以前据说是会导致表面浓度发生变化，原因我也不知道。
(编辑：15920099428)
