晶圓是集成電路、功率器件及半導(dǎo)體分立器件的核心原材料，超過(guò)90%的集成電路均在高純度、高品質(zhì)的晶圓上制造而成。晶圓的質(zhì)量及其產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)能力，直接關(guān)乎集成電路的整體性能和競(jìng)爭(zhēng)力。今天我們將詳細(xì)介紹第一個(gè)工藝過(guò)程：晶圓及其制造過(guò)程。

為什么晶圓制造如此重要

隨著技術(shù)進(jìn)步，晶圓的需求量持續(xù)增長(zhǎng)。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)硅片尺寸主流為100mm、150mm和200mm，硅片直徑的增大會(huì)導(dǎo)致降低單個(gè)芯片制造成本的降低，所以目前300mm硅片的需求量也在不斷的增加。但硅片直徑增大的同時(shí)也對(duì)晶圓表面的平整度、微量雜質(zhì)控制、內(nèi)部缺陷及氧含量等關(guān)鍵參數(shù)提出了更高要求，因此，晶圓制造也是當(dāng)下芯片制造主要研究的重點(diǎn) 。

晶體結(jié)構(gòu)

在研究晶圓制造之前我們首先需要了解晶體結(jié)構(gòu)。 內(nèi)部原子的組織結(jié)構(gòu)差異是區(qū)分不同材料的重要手段。硅和鍺等晶體材料，其原子在整個(gè)材料中呈現(xiàn)固定的周期性排列；而非晶體材料，如塑料，則缺乏這種固定的原子排列。硅則因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)、自然豐富度等眾多優(yōu)點(diǎn)成為晶圓的主要材料。 晶體材料具有兩個(gè)層次的原子組織結(jié)構(gòu)。第一層是單個(gè)原子的組織結(jié)構(gòu)，形成晶胞結(jié)構(gòu)，晶胞在晶體中周期性重復(fù)排列形成晶體。另一層涉及晶胞結(jié)構(gòu)的整體布局，即晶格結(jié)構(gòu)，原子位于晶格結(jié)構(gòu)的特定位置。晶胞內(nèi)的原子數(shù)量、相對(duì)位置及原子間的結(jié)合能，共同決定了材料的多種特性。硅晶體的結(jié)構(gòu)為金剛石結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是兩套面心立方晶格沿對(duì)角線偏移1/4對(duì)角線長(zhǎng)度所構(gòu)成的。其結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖1 硅的金剛石結(jié)構(gòu) 晶體的構(gòu)造展現(xiàn)出周期性和對(duì)稱(chēng)性的特征，若采用通用的三維直角坐標(biāo)體系來(lái)逐一描述晶體中每個(gè)微粒的具體位置，會(huì)顯得相當(dāng)繁瑣。因此，需要借助晶體的點(diǎn)陣周期性，開(kāi)發(fā)一種更為簡(jiǎn)便的方法來(lái)描繪晶體內(nèi)部粒子的位置分布。晶胞是依據(jù)特定“三原則”選定的，它能有效地體現(xiàn)晶體的周期性和對(duì)稱(chēng)性，且為最小單元。一旦確定了晶胞內(nèi)所有粒子的坐標(biāo)位置，整個(gè)晶體內(nèi)部粒子的相對(duì)位置也就隨之明確。通過(guò)建立以晶胞三條棱邊向量為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系，我們可以方便地描述晶胞內(nèi)部每一個(gè)粒子的坐標(biāo)（即原子坐標(biāo)），從而簡(jiǎn)化對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的描述過(guò)程，如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化的晶體結(jié)構(gòu)

晶面及晶向

晶面，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是晶體內(nèi)部原子、離子或分子排列形成的平面。而晶向，則是描述晶體內(nèi)部原子排列的特定方向。 晶面通過(guò)密勒指數(shù)來(lái)表示，通常來(lái)說(shuō)括號(hào)()表示晶面，方括號(hào)[]表示晶向，尖括號(hào)<>表示晶向族，大括號(hào){}則表示晶面族。在半導(dǎo)體制造中，硅片最常用的晶體平面為(100)、(110)和(111)，不同的晶面有不同的特性，用于不同的生產(chǎn)中。在MOS器件制造中，(100)晶面的硅片最為常用，因?yàn)槠浔砻鏍顟B(tài)有利于控制MOS器件的閾值電壓，同時(shí)（100）晶面的硅片在加工過(guò)程中相對(duì)容易處理，表面較平整，適合于大規(guī)模集成電路的制造。(111)晶面的原子密度更大，生長(zhǎng)成本較低，常用于雙極型器件。這些平面在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中可以通過(guò)精確控制晶向而獲得，即通過(guò)籽晶晶向的選取來(lái)控制晶體生長(zhǎng)的晶面。 (100)晶面平行于Y-Z軸并與X軸在單位值為1的點(diǎn)處相交，(110)晶面與X軸和Y軸相交，(111)晶面則與X軸、Y軸和Z軸都相交。如圖所示。

圖3晶面示意圖 (100) 晶面是一個(gè)正方形，而(111)晶面則是一個(gè)三角形。因?yàn)椴煌娴慕Y(jié)構(gòu)不同所以導(dǎo)致晶圓破碎時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不同的特點(diǎn)。< 100 >晶向的晶圓碎成正方形或正好以90 °角破裂，< 111>晶向的晶圓碎成三角形。如下圖所示。

圖4不同晶面破碎示意圖 晶體因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使其每個(gè)平面都具有獨(dú)特的化學(xué)、電學(xué)和物理特性，所以晶圓的不同晶向會(huì)影響晶圓的整體性能。因此，晶圓的制備過(guò)程中需要嚴(yán)格控制其晶向。

直拉法

晶圓是用晶棒切割而來(lái)的，晶棒是由多晶與純凈未摻雜的本征材料生長(zhǎng)而成的。將多晶通過(guò)熔融再結(jié)晶生長(zhǎng)為單晶的過(guò)程，被稱(chēng)為晶體生長(zhǎng)。當(dāng)前，晶體生長(zhǎng)主要依賴(lài)兩種方法：提拉法與區(qū)域熔融法。直拉法（又稱(chēng)丘克拉斯基法或CZ法）是從熔體中生長(zhǎng)單晶的一種最主要的方法，適用于大尺寸完美晶體的批量生產(chǎn)，目前85%以上的單晶硅是直拉法生長(zhǎng)的。下面將介紹直拉法生長(zhǎng)單晶： 直拉法是將高純多晶硅材料在高真空或稀有氣體保護(hù)的環(huán)境下加熱熔化成液態(tài)，然后再結(jié)晶形成單晶硅的過(guò)程。這一過(guò)程需要使用的設(shè)備是直拉單晶爐，如圖所示包括爐體、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、加熱溫控系統(tǒng)和氣體傳送系統(tǒng)。爐體內(nèi)部設(shè)計(jì)保證了溫度均勻分布和散熱效果；機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)用于控制坩堝和籽晶的運(yùn)動(dòng)；加熱系統(tǒng)則是通過(guò)高頻線圈或電流加熱器將多晶硅加熱至熔融狀態(tài)；氣體傳送系統(tǒng)則用于抽真空和充入惰性氣體以保護(hù)硅溶液不會(huì)被氧化。一般要求真空度在5Torr以下，惰性氣體純度在99.9999%以上。 晶棒的純度至關(guān)重要，是決定晶圓質(zhì)量的重要因素，因此生長(zhǎng)單晶時(shí)一定要保證其純度。

圖5 直拉單晶爐結(jié)構(gòu)示意圖 晶體生長(zhǎng)采用具有特定晶向的單晶硅作為起始籽晶來(lái)培育硅錠，所得硅錠會(huì)“遺傳”籽晶的結(jié)構(gòu)特性（晶向）。在此過(guò)程中，需嚴(yán)格調(diào)控熔融硅與單晶硅籽晶接觸界面的條件，以確保硅液能精準(zhǔn)沿襲籽晶的晶體結(jié)構(gòu)，逐步擴(kuò)展為一個(gè)龐大的單晶硅錠。這一系列操作是借助直拉單晶生長(zhǎng)爐來(lái)實(shí)現(xiàn)的。直拉法生長(zhǎng)單晶硅的主要過(guò)程如下： 準(zhǔn)備階段： 準(zhǔn)備純度很高的多晶硅，并且將其粉碎，用氫氟酸和硝酸的混合溶液進(jìn)行清洗。對(duì)籽晶進(jìn)行拋光，籽晶的選擇必須與想要生長(zhǎng)的單晶硅的晶向一致，并確保沒(méi)有缺陷，否則會(huì)“遺傳”給生長(zhǎng)的晶體。選擇向坩堝中摻入的雜質(zhì)（用于控制生長(zhǎng)晶體的導(dǎo)電類(lèi)型：N型或P型）。注意對(duì)所有清洗的材料用高純?nèi)ルx子水進(jìn)行沖洗至中性，然后烘干。 裝爐： 將粉碎的多晶硅裝入石英坩堝中，籽晶夾好，蓋上籽晶罩，將爐內(nèi)抽為真空并充入惰性氣體。 加熱熔融多晶硅： 充滿(mǎn)惰性氣體后將坩堝中的多晶硅進(jìn)行加熱熔融（一般為1420℃）。 引晶階段： 此階段也稱(chēng)為下種。首先，將溫度降低到略低于1420℃的某個(gè)值，使籽晶降至距液面幾毫米處。接著，對(duì)籽晶進(jìn)行預(yù)熱，時(shí)間約為2-3分鐘，以確保熔融硅與籽晶之間的溫度達(dá)到平衡。預(yù)熱完成后，使籽晶與熔融硅液面接觸，從而完成引晶過(guò)程。 縮頸階段： 在引晶步驟完成后，系統(tǒng)會(huì)逐步提升溫度，同時(shí)籽晶開(kāi)始旋轉(zhuǎn)并被緩緩向上提拉，形成一段直徑大約在0.5至0.7厘米之間的細(xì)小單晶，這比原始籽晶的直徑要小?？s頸階段的主要目標(biāo)是清除籽晶本身可能存在的瑕疵以及在引晶過(guò)程中因溫度變動(dòng)可能產(chǎn)生的新缺陷。此階段雖然提拉速度相對(duì)較快，但仍需保持在適宜的范圍內(nèi)，避免過(guò)快操作。 放肩階段： 縮頸完成后，放慢拉速并降低溫度，讓晶體逐漸長(zhǎng)大至所需的直徑。放肩過(guò)程需要仔細(xì)控制溫度和拉速，以確保晶體能夠均勻且穩(wěn)定地生長(zhǎng)。 等徑生長(zhǎng)階段： 在放肩即將完成時(shí)，緩慢升溫并保持穩(wěn)定，以確保晶體在直徑方向上繼續(xù)均勻生長(zhǎng)。這一階段需要嚴(yán)格控制拉速和溫度，以保證單晶的均勻性和一致性。 收尾階段： 在單晶生長(zhǎng)接近收尾階段，會(huì)適度提升溫度并加快提拉速率，使晶棒直徑漸漸縮小，直至形成一個(gè)錐形尾部。這是為了預(yù)防晶棒脫離熔融態(tài)時(shí)因溫度驟降引發(fā)缺陷，以保障整體晶體的高品質(zhì)。

圖6 直拉單晶示意圖 直拉單晶完成后就得到了晶圓的原材料晶棒，對(duì)晶棒進(jìn)行切割就得到最原始的晶圓，但此時(shí)的晶圓并不能直接使用，為了得到可使用的晶圓還需要對(duì)晶圓進(jìn)行拋光、清洗、薄膜沉積、退火等一些復(fù)雜的后續(xù)操作。