項目1硅片制造工藝項目導讀

本項目從第一個任務硅提純入手，先讓讀者對硅片制造工藝有一個初步了解；然后詳細介紹硅片制造的硅提純、單晶硅生長等專業技能。通過單晶硅生長的任務實施，讓讀者進一步了解硅片制造工藝。知識目標1.了解硅片制造工藝2.掌握單晶硅片制備的工藝操作3.掌握單晶硅錠的質量評估4.會識讀單晶硅片制備工藝相關的隨件單技能目標1.能正確操作制備多晶硅的設備，設置相關設備的常規參數2.能正確操作單晶爐，設置單晶爐的常規參數教學重點1．單晶硅片制備的工藝2．硅提純、單晶硅生長3．檢驗制備產物的質量教學難點硅提純和單晶硅生長的實施建議學時6學時推薦教學方法從任務入手，通過硅提純的操作，讓讀者了解單晶硅片制備的工藝操作，進而通過單晶硅生長的操作，熟悉單晶硅錠的質量評估推薦學習方法勤學勤練、動手操作是學好硅片制造工藝的關鍵，動手完成硅提純和單晶硅生長任務實施，通過“邊做邊學”達到更好的學習效果項目11.1.1集成電路制造工藝1.1.1集成電路制造工藝知識目標1.掌握什么是集成電路2.了解集成電路制造工藝的四個主要環節分立器件組成的電路集成電路1.什么是集成電路集成電路：IntegratedCircuit，縮寫為IC,即把組成電路的大量的元器件及相互間的連線，通過半導體工藝集成在一起形成具有特定功能的電路1.1.1集成電路制造工藝2.集成電路制造工藝集成電路設計集成電路制造集成電路封裝集成電路測試封裝好的芯片1.1.1集成電路制造工藝1.1.1集成電路制造工藝1.1.1集成電路制造工藝1.1.1集成電路制造工藝硅片

硅襯底

晶圓wafer晶圓wafer晶粒

裸晶die單元cell

芯片

集成電路Chip/IC硅棒硅錠

1.1.1集成電路制造工藝課程小結1.集成電路定義2.集成電路工藝的四個主要環節3.了解集成電路制造工藝中常用名詞項目11.1.2硅片制造工藝1.1.2硅片制造工藝知識目標1.了解單晶、多晶以及單晶硅、多晶硅的區別2.掌握硅片制造的主要工藝環節1.單晶和多晶的區別單晶示意圖多晶示意圖1.1.2硅片制造工藝1.單晶和多晶的區別單晶示意圖多晶示意圖1.1.2硅片制造工藝2.單晶硅和多晶硅的區別多晶硅片單晶硅片1.1.2硅片制造工藝沙子（SiO2）多晶硅單晶硅0.5元/Kg1000元/Kg10000元/Kg2.單晶硅和多晶硅的區別1.1.2硅片制造工藝電子級硅（EG）：Si>99.9999%以上，超高純達到9～11個9太陽能級硅：99.99%~99.9999%,也就是4~6個9工業硅/冶金級硅/粗硅：90%~95%以上(98%)1.1.2硅片制造工藝3.硅片制造工藝多晶硅（99.99...9%）硅提純主要有三種方法：四氯化硅氫還原法，三氯氫硅還原法，硅烷熱分解法1.1.2硅片制造工藝3.硅片制造工藝硅提純單晶生長硅片制造粗硅（98%）制備示意圖3.硅片制造工藝硅提純單晶生長硅片制造

直拉法（CzochralskiCZ）把具有一定晶向的籽晶插入熔融硅中，控制一定的過冷溫度，以一定的速度將籽晶緩慢提升并同時旋轉籽晶軸，生長出新的晶體直拉法示意圖1.1.2硅片制造工藝3.硅片制造工藝1.1.2硅片制造工藝

外形整理

切片

研磨

倒角

拋光清洗、檢查3.硅片制造工藝1.1.2硅片制造工藝硅提純單晶生長硅片制造1.1.2硅片制造工藝1.1.2硅片制造工藝1.1.2硅片制造工藝知識總結1.單晶、多晶以及單晶硅、多晶硅的區別2.硅片制造的三個工藝環節項目11.1.3硅片制造流程1.1.3硅片制造流程知識目標進一步掌握硅片制造的三個主要環節1.1.3硅片制造流程1.1.3硅片制造流程（1）沙子（二氧化硅）先在電爐里與碳一起加熱，通過碳對二氧化硅進行還原，得到粗硅。1.硅提純（2）經過氯化處理后形成一種氯化物，如四氯化硅（SiCl4）或三氯氫硅（SiHCl3）硅提純單晶生長硅片制造（3）通過多重蒸餾和其他液體提純之后，可得到超純度的SiCl4或SiHCl3。（4）用化學方法對高純度的氯化物進行還原1.硅提純硅提純單晶生長硅片制造1.1.3硅片制造流程單晶硅生長是在多晶硅加熱熔化，待溫度合適后，經過將籽晶浸入、熔接、引晶、縮頸、放肩、轉肩、等徑生長、收尾等步驟，完成一個單晶硅棒的拉制。硅提純單晶生長硅片制造2.單晶硅生長1.1.3硅片制造流程（1）切割分段首先將籽晶部分、肩部、尾部、檢查后不符合直徑要求的部分等進行切除，減少生產成本。切除的部分可以回收再利用。（2）徑向研磨通過滾磨外圓來產生精確的材料直徑。3.硅片制造工藝-外形整理切割后切割前徑向研磨1.1.3硅片制造流程硅提純單晶生長硅片制造3.硅片制造工藝1.1.3硅片制造流程P(111)N(111)P(100)N(100)定位邊和定位槽（3）定位面研磨3.硅片制造工藝

圖1內圓切割(8inch及以下尺寸)圖2線切割1.1.3硅片制造流程(12inch及以上尺寸)（4）定位面切片3.硅片制造工藝-切片3.硅片制造工藝-研磨1.1.3硅片制造工藝（5）研磨倒角是去除晶圓周圍鋒利的棱角，其目的如下:①防止熱應力[1導致的缺陷在邊緣產生，并阻止其向內部移動;②防止晶圓受到撞擊而導致邊緣破裂;③增加晶圓邊緣的平坦度，為后續工序做準備。3.硅片制造工藝圖1倒角效果圖1.1.2硅片制造工藝（6）倒角3.硅片制造工藝-倒角3.硅片制造工藝1.1.2硅片制造工藝（7）拋光3.硅片制造工藝-拋光（6）清洗晶圓加工過程中接觸了研磨料、拋光劑等試劑及微粒的污染,需要清除雜質。（7）檢查通過晶圓尺寸檢查設備和晶圓邊緣和背面檢測系統對晶圓的直徑、表面進行檢查,確保晶圓符合生產需求，為后續工藝做準備。3.硅片制造工藝1.1.2硅片制造工藝硅片介紹（視頻來源

微電子工藝

哈爾濱工業大學MOOC課程）1.1.3硅片制造工藝項目11.2.1認識硅提純1.2.1認識硅提純知識目標1.了解硅提純的作用與原料2.掌握硅提純的原理1.硅提純的作用及原料石英石沙子多晶硅1.2.1認識硅提純（1）四氯化硅氫還原法2.硅提純的方法（2）三氯氫硅還原法（3）硅烷熱分解法1.2.1認識硅提純2.硅提純的方法-四氯化硅氫還原法（1）不純的二氧化硅先在電爐里與碳一起加熱，通過碳對不純的二氧化硅進行還原，得到不純的硅。（2）經過氯化處理后形成一種氯化物，如四氯化硅（SiCl4）或三氯氫硅（SiHCl3）1.2.1認識硅提純（3）通過多重蒸餾和其他液體提純之后，可得到超純度的SiCl4或SiHCl3。2.硅提純的方法-四氯化硅氫還原法1.2.1認識硅提純1.2.1認識硅提純2.硅提純的方法-四氯化硅氫還原法1.2.1認識硅提純（4）用化學方法對高純度的氯化物進行還原2.硅提純的方法-四氯化硅氫還原法1.2.1認識硅提純2.硅提純的方法-三氯氫硅還原法1.2.1認識硅提純2.硅提純的方法-硅烷熱分解法硅鎂合金工藝由于成本過高,該方法還沒有用于大規模多晶硅生產線，是一種非常有潛力的硅提純方法。1.2.1認識硅提純Si+MgMg2SiMg2Si+NH4ClSiH4+MgCl2+NH32.硅提純的方法1.2.1認識硅提純知識總結硅提純的作用以及原材料硅片制造的三個主要環節1.2.1認識硅提純項目11.2.2硅提純設備1.2.1認識硅提純知識目標了解硅提純主要設備1.2.2硅提純設備（1）四氯化硅氫還原法1.硅提純的方法（2）三氯氫硅還原法（3）硅烷熱分解法2.硅提純原理及設備還原爐電爐沙子/石英石粗硅四氯化硅高純四氯化硅高純多晶硅精餾塔1.2.2硅提純設備2.硅提純設備介紹-多晶硅制備1.2.2硅提純設備硅提純原理及設備1.2.2硅提純設備知識總結硅提純主要設備：電爐、精餾塔、還原爐

1.2.2硅提純設備項目11.2.3硅提純實施1.2.3硅提純實施掌握硅提純實施流程技能目標硅提純的原理沙子/石英石粗硅四氯化硅高純四氯化硅高純多晶硅1.2.3硅提純實施

1.領料確認--2.參數設置--3.粗硅制備--4.四氯化硅提純--5多晶硅制備1.2.3硅提純實施1.2.3硅提純實施

電爐控制界面參數設置界面1.領料確認--2.參數設置--3.粗硅制備--4.四氯化硅提純--5多晶硅制備

閥門狀態控制粗硅制備質量確認1.領料確認--2.參數設置--3.粗硅制備--4.四氯化硅提純--5多晶硅制備1.2.3硅提純實施1.2.3硅提純實施

閥門狀態控制四氯化硅制備1.領料確認--2.參數設置--3.粗硅制備--4.四氯化硅提純--5多晶硅制備1.2.3硅提純實施

精餾法與吸附法1.領料確認--2.參數設置--3.粗硅制備--4.四氯化硅提純--5多晶硅制備1.2.3硅提純實施

閥門狀態控制多晶硅制備1.領料確認--2.參數設置--3.粗硅制備--4.四氯化硅提純--5多晶硅制備1.2.3硅提純實施

記錄多晶硅制備情況1.2.3硅提純實施完成硅提純操作1.2.3硅提純實施項目11.2.4加熱停止異常故障排除1.2.3硅提純實施能對加熱異常故障進行排除技能目標1.現象描述1.2.4加熱停止異常故障排除2.故障分析與處理1.2.4加熱停止異常故障排除“加熱停止”故障可能是由于線路連接異常、溫控系統（如溫度傳感器、加熱器）異常等造成的，需要根據造成故障的原因，進行分析排查。故障處理后，設備正常繼續作業。項目11.3.1認識單晶硅生長1.3.1認識單晶硅生長知識目標1.掌握單晶硅生長原理2.掌握直拉法單晶硅生長方式1.單晶生長的作用單晶多晶1.3.1認識單晶硅生長2.單晶生長原理1.3.1認識單晶硅生長要有一個排列標準排列好的原子能穩定下來原子具有一定動能，以重新排列單晶制備需滿足條件2.單晶生長原理原子具有一定動能，以重新排列要有一個排列標準排列好的原子能穩定下來單晶制備需滿足條件加熱使多晶硅熔融，提高原子的遷移能力，以便重新排列單晶制備對策提供過冷溫度使原子穩定提供籽晶作為排列標準籽晶1.3.1認識單晶硅生長3.單晶生長的方式直拉法（Czochralski，CZ）區熔法（FloatingZone，FZ）外延法1.3.1認識單晶硅生長3.單晶生長的方式

直拉法

（CzochralskiCZ）把具有一定晶向的籽晶插入熔融硅中，控制一定的過冷溫度，以一定的速度將籽晶緩慢提升并同時旋轉籽晶軸，生長出新的晶體。1.3.1認識單晶硅生長

裝料

抽真空

檢漏、調壓

熔硅

引晶

放肩

轉肩

等徑

收尾

停爐

拆爐準備生長過程結束3.單晶生長的方式1.3.1認識單晶硅生長直拉法實施流程

直拉法（CZ法）是目前IC用硅片主流拉制方法，可拉制大直徑硅單晶（6inch以上）由于使用石英坩堝和石墨坩堝托，硅單晶中0、C雜質含量較高應用于集成電路、半導體器件、太陽能電池等1.3.1認識單晶硅生長1inch=25.4mm3.單晶生長的方式--懸浮區熔法

懸浮區熔法

（FloatingZone）也稱FZ法，是利用高頻線圈在單晶籽晶和其上方懸掛的多晶硅棒的接觸處產生熔區，然后使熔區向上移動進行單晶生長。圖片來源/html/2016/0817/51753446.shtm1.3.1認識單晶硅生長FZ法特點硅片尺寸偏小單晶硅純度更高主要用于功率器件，如可控硅等懸浮區熔法示意圖知識總結1.單晶硅生長原理2.單晶硅生長方式1.3.1認識單晶硅生長項目11.3.2單晶硅生長設備1.3.2單晶硅生長設備知識目標1.掌握單晶爐的組成2.掌握單晶爐各部分的作用1.單晶生長方法直拉法懸浮區熔法1.3.2單晶硅生長設備1.3.2單晶硅生長設備爐體籽晶軸石英坩堝石墨坩堝托石墨加熱器爐體結構示意圖（圖片來源

微納加工技術

清華大學）1.3.2單晶硅生長設備1.3.2單晶硅生長設備電氣控制系統控制單晶生長基本工藝參數電氣控制系統通過偵測感應，結合電腦控制，達到控制熔硅溫度、升降提拉速度等基本工藝參數的效果。1.3.2單晶硅生長設備機械傳動系統提拉機構：籽晶升降、旋轉坩堝升降和轉動機構氣氛控制系統真空氣氛常壓氬氣氛低壓氬氣氛知識總結1.3.2單晶硅生長設備1.掌握單晶爐的組成2.掌握單晶爐各部分的組成及作用項目11.3.3單晶硅生長實施1.3.3單晶硅生長實施知識目標1.掌握單晶硅生長實施流程2.掌握單晶硅檢測直拉法1.3.3單晶硅生長實施直拉單晶爐

1.領料確認2.拉單晶準備3.單晶爐運行4.質量檢測1.3.3單晶硅生長實施

1.領料確認1.3.3單晶硅生長實施

2.拉單晶前準備點擊單晶爐艙門將其打開多晶硅放入石英坩堝中，并固定籽晶點擊控制系統界面，彈出“參數設置”1.3.3單晶硅生長實施

3.單晶爐運行開始加工界面拉單晶過程1.3.3單晶硅生長實施

4.質量檢查--物理性能檢查物理性能檢測1.3.3單晶硅生長實施質量直徑晶向外觀

4.質量檢查--電學參數檢測四探針法電學參數檢測結果1.3.3單晶硅生長實施

4.質量檢查--缺陷檢查單晶硅錠中常見的缺陷有點缺陷、線缺陷、面缺陷和微缺陷，其中線缺陷對產品的質量影響最大。1.3.3單晶硅生長實施位錯示意圖（圖片來源/video/BV1RE411Q7kn?from=search&seid=18117083249734995317）知識總結1.單晶硅生長基本操作流程。2.單晶硅生長后的質量檢測1.3.3單晶硅生長實施硅片制造工藝項目11.3.4單晶爐常見異常故障排除能夠處理單晶硅生長常見的故障異常技能目標1.3.4單晶硅生長爐常見異常故障排除1.3.4單晶硅生長爐常見異常故障排除在單晶硅生長過程中，可能出現各種異常，如設備故障，檢測數據超出合格范圍，體內或表面存在缺陷等。這些異常會影響單晶硅生長工序的正常進行，要及時分析原因并做出相應的處理以減少損失。知識總結

單晶生長過程中常見的異常現象及處理方法1.3.3單晶爐常見異常故障排除1．集成電路所用的原材料主要是硅、鍺和砷化鎵，其中，由硅制備的半導體器件約占95%。2．硅提純是制備多晶硅的過程，它是指從化合物中將硅元素提煉出來并進行提純。多晶硅的制備方式主要有3種：四氯化硅氫還原法、三氯氫硅氫還原法和硅烷熱分解法。3．硅提純操作過程有：領料上料、硅提純設備參數設置、粗硅制備、多晶硅制備、檢查多晶硅質量以及結批等。4．多晶硅的制備主要經歷以下幾個過程：（1）利用硅與氯氣的反應，將制得的粗硅轉化為硅的氯化物（2）將反應得到的四氯化硅進行精餾提純。四氯化硅作為硅純化過程的中間產物，它的純度決定