半導(dǎo)體工藝設(shè)備為半導(dǎo)體大規(guī)模制造提供制造基礎(chǔ)。摩爾定律,給電子業(yè)描繪的前景,必將是未來半導(dǎo)體器件的集成化、微型化程度更高,功能更強(qiáng)大。這里先介紹半導(dǎo)體工藝的頭道工序——單晶體拉胚的單晶爐。
單晶爐 單晶爐,全自動直拉單晶生長爐,是一種在惰性氣體(氮?dú)?、氦氣為主)環(huán)境中,用石墨加熱器將多晶硅等多晶材料熔化,用直拉法生長無錯位單晶的設(shè)備。 單晶硅爐型號有兩種命名方式,一種為投料量,一種為爐室直徑。比如 120、150 等型號是由投料量決定, 85 爐則是指主爐筒的直徑大小。 單晶硅爐的主體構(gòu)成由主機(jī)、加熱電源和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)三大部分組成。 單晶硅片工藝流程 硅,Si,地球上含硅的東西很多,好像90%以上都是晶硅的,也就是單晶硅。太陽能級別的硅純度6N以上就可以了。 開始是石頭,(石頭都含硅),把石頭加熱,變成液態(tài),再加熱變成氣態(tài),把氣體通過一個(gè)密封的大箱子,箱子里有N多的子晶加熱,兩頭用石墨夾住,氣體通過這個(gè)箱子,子晶會把氣體中的一種吸符到子晶上,子晶慢慢就變粗了,因?yàn)槭菤怏w變固體,所以很慢,一個(gè)月左右,箱子里有就了很多長長的原生多晶硅。 單晶硅片由此進(jìn)入生產(chǎn)流程: 1、酸洗:使用稀硝酸HNO3,進(jìn)行清洗,去除表面雜質(zhì)及提煉時(shí)產(chǎn)生的四氯化硅。 2、清洗:清洗硅料經(jīng)過酸洗后的殘留雜質(zhì)。 3、單晶硅料烘干:去除水分。 4、挑料:區(qū)分P型,N型硅料。 5、配料:對拉晶的硅料型號進(jìn)行匹配。 6、單晶爐拉晶: 7、硅棒檢測:檢查有無位錯,棱線斷等現(xiàn)象。 8、開斷:將單晶硅棒用帶鋸條切割成四方體。 9、包裝:將開斷后的單晶硅棒進(jìn)行包裝,送至下一道工序 10、磨圓:將單晶硅棒四個(gè)直角進(jìn)行磨圓。 11、多線切割:瑞士的264,265。日本的PV800,MDM442DM設(shè)備進(jìn)行切割 0.33mm。 12、清洗: 13、單晶硅片檢測: 單晶爐的結(jié)構(gòu) 單晶爐爐體(包括爐底板、主爐室、爐蓋、隔離閥室、副爐室、籽晶提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和坩堝提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu))由304L不銹鋼制造。所有腔體都經(jīng)過缺陷爐室檢查和探傷檢驗(yàn),并且經(jīng)過0.6MPa水壓試驗(yàn)和氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏。 一、主爐體構(gòu)造 1、基座與爐底板 爐底板設(shè)計(jì)成平板式,具有雙層結(jié)構(gòu),通水冷卻。四只電極穿過底板,在坩堝提升機(jī)構(gòu)的波紋管連接處有一個(gè)水冷卻法蘭區(qū)。 2、主、下爐室 主、下爐室為雙層筒狀結(jié)構(gòu),兩端為法蘭結(jié)構(gòu),通水冷卻,并有隔水條保證冷卻均勻。主爐室設(shè)置了一個(gè)測溫計(jì)窗口,用于測量加熱器溫度。下爐室有抽真空和真空計(jì)接口(0~100Torr和0~1Torr)。下爐室在正常操作過程中始終用壓板固定在爐底板上,通過氟橡膠O型圈實(shí)現(xiàn)真空密封。 3、爐蓋 爐蓋為爐體和隔離閥座提供了一個(gè)過渡區(qū)。爐蓋采用標(biāo)準(zhǔn)爐蓋制造,雙層通水冷卻。在爐蓋上設(shè)有一個(gè)操作者觀察窗口(類橢圓形)和一個(gè)直徑控制窗口(圓形)。操作者觀察窗口允許單晶直徑測量范圍最大至10”,氬氣入口設(shè)置在爐蓋的喉部。 4、隔離閥座 隔離閥座為雙層水冷卻結(jié)構(gòu),前圓后方,正前方設(shè)有一道圓門,可以通過圓門方便拆卸和更換籽晶夾頭。圓門中心設(shè)有圓形觀察窗。隔離閥座為隔離閥提供了安裝及活動空間,隔離閥的作用是為籽晶或單晶提供進(jìn)入副爐室的通道,同時(shí)可以維持上下爐室的局部壓力和溫度。隔離閥是翻板閥結(jié)構(gòu),閥板和閥體均是固定式雙層結(jié)構(gòu),通水冷卻。隔離閥座側(cè)面設(shè)有兩個(gè)籽晶位置檢測窗口(激光定位),后部有一個(gè)氬氣入口,可以實(shí)現(xiàn)快充氬氣。 5、副爐室 副爐室為圓筒形腔體,雙層結(jié)構(gòu),水冷卻。副爐室上部前方設(shè)有一個(gè)圓形法蘭,可以打開用于清理腔體上部,法蘭中心設(shè)有圓形觀察窗。副爐室上部是水平調(diào)整機(jī)構(gòu)(見附件12),設(shè)有一個(gè)氬氣入口(正常拉晶時(shí)的氬氣通道)、一個(gè)抽真空接口(當(dāng)隔離閥關(guān)閉時(shí)副爐室抽真空用)和一個(gè)真空計(jì)接口(0~1000Torr)。 二、籽晶提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 籽晶旋轉(zhuǎn)提升機(jī)構(gòu)俗稱提拉頭,主要由安裝盤、減速機(jī)、籽晶腔(真空腔)、劃線環(huán)、快速電機(jī)、慢速電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、離合器、磁流體、鋼纜、籽晶稱重頭、軟波紋管等其他部件組成 。 提拉頭的主要功能有使籽晶旋轉(zhuǎn) 提升,并保證勻速旋轉(zhuǎn)變速提升,且記錄單晶重量 位移等數(shù)據(jù)。 在籽晶提升機(jī)構(gòu)里采用鋼索卷筒提升鋼絲繩。整個(gè)提升裝置在一根中空的軸上旋轉(zhuǎn),該機(jī)構(gòu)經(jīng)過靜平衡和動平衡測試,在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無振動平穩(wěn)的運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)密封和提升進(jìn)給密封均采用磁流體密封。提升腔、離合器腔、稱重腔和晶升底板均由高強(qiáng)度鋁制造而成。 三、副爐室旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用直流伺服電機(jī),雙級蝸輪蝸桿減速,加強(qiáng)型同步帶傳動,可在副爐室提升到位時(shí)的緩慢旋開和快速旋閉,實(shí)現(xiàn)取單晶過程的自動化動作。 四、坩堝提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 坩堝提升機(jī)構(gòu)的垂直方向采用了滾珠直線導(dǎo)軌和高精度絲桿,在高負(fù)載甚至電機(jī)斷電的情況下實(shí)現(xiàn)自鎖。坩堝旋轉(zhuǎn)采用可承受高轉(zhuǎn)矩的多碶帶驅(qū)動,從而消除了齒形帶傳動的震顫。旋轉(zhuǎn)密封采用可承受軸向力磁流體密封,垂直密封采用不銹鋼波紋管。 坩堝提升機(jī)構(gòu)中直線導(dǎo)軌座和底板成90°固定,兩者間采用筋板支撐,從而提高整體的剛度,避免由側(cè)向力矩引起的直線導(dǎo)軌和絲桿的變形。 在單晶生長過程中會形成硅氧化物(SiO)小顆粒并沉積在波紋管中。這些氧化物應(yīng)被定期清除出去。將波紋管從坩堝軸密封一惻松開。將它在適當(dāng)位置系好以防止它往下彈回去。 用真空吸塵器清除所有的灰塵,包括磁流體密封座的密封表面上的灰塵檫拭干凈后裝回波紋管。 五、真空系統(tǒng) 真空系統(tǒng)各零件由不銹鋼制成,所有連接都采用法蘭式氟橡膠O型密封圈,真空閥采用的是高真空氣動球閥。 1 主真空系統(tǒng) 主真空系統(tǒng)提供了為各腔體抽真空或者當(dāng)隔離閥關(guān)閉時(shí)僅為上下爐室抽真空的閥和管道。為控制真空腔獨(dú)立氣流壓力提供了自動壓力控制節(jié)流閥。 2 輔助(副爐室)真空系統(tǒng) 輔助真空系統(tǒng)提供了將副爐室從常壓抽至與上下爐室相等壓力的閥和管道。在隔離步驟中,它通常是最先使用的,一根柔性波紋管為提升和旋轉(zhuǎn)副爐室提供柔性連接。 六、氬氣系統(tǒng) 氬氣系統(tǒng)由不銹鋼管、電磁截止閥、質(zhì)量流量控制器、減壓器、手動截止閥和柔性波紋管道構(gòu)成,在爐子的運(yùn)行過程中向爐子內(nèi)提供氬氣。爐子上有兩個(gè)氬氣入口(副爐室頂部和爐蓋喉部)由質(zhì)量流量控制器控制,另一個(gè)氬氣入口(隔離閥座后部)是快充口,不由質(zhì)量流量控制器控制。氬氣由副爐室頂部的分流環(huán)分配以減少副爐室內(nèi)的紊流。 1 質(zhì)量流量控制器 質(zhì)量流量控制器為氬氣進(jìn)入主爐體提供精密的流量控制。 2 密封和管路 氬氣系統(tǒng)在不銹鋼管、電磁截止閥和質(zhì)量流量控制器的連接處采用金屬卡套密封,柔性不銹鋼波紋管間采用快卸法蘭式氟橡膠O型密封圈。整個(gè)氬氣系統(tǒng)經(jīng)過氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏,在1×10-8CC(std.atm.)/sec(He)范圍內(nèi)未查出泄漏。 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為爐子提供一個(gè)安全良好的運(yùn)行環(huán)境,上爐室和副爐室采用不銹鋼安全閥進(jìn)行過壓保護(hù)。腔體外部出水口處設(shè)置安全溫度監(jiān)測,如果溫度超過55°C,就會向操作者發(fā)出警告。冷卻水流量傳感器裝在爐體總回水管,其作用是萬一水流斷開后30秒切斷加熱器電源。 單晶爐生產(chǎn)工藝 生產(chǎn)工序:加料→熔化→縮頸生長→放肩生長→等徑生長→尾部生長 (1)加料:將多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi),雜質(zhì)的種類依電阻的N或P型而定。雜質(zhì)種類有硼,磷,銻,砷。 (2)熔化:加完多晶硅原料于石英堝內(nèi)后,長晶爐必須關(guān)閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內(nèi),然后打開石墨加熱器電源,加熱至熔化溫度(1420℃)以上,將多晶硅原料熔化。 (3)縮頸生長:當(dāng)硅熔體的溫度穩(wěn)定之后,將籽晶慢慢浸入硅熔體中。由于籽晶與硅熔體場接觸時(shí)的熱應(yīng)力,會使籽晶產(chǎn)生位錯,這些位錯必須利用縮勁生長使之消失掉??s頸生長是將籽晶快速向上提升,使長出的籽晶的直徑縮小到一定大?。?-6mm)由于位錯線與生長軸成一個(gè)交角,只要縮頸夠長,位錯便能長出晶體表面,產(chǎn)生零位錯的晶體。 (4)放肩生長:長完細(xì)頸之后,須降低溫度與拉速,使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。 (5)等徑生長:長完細(xì)頸和肩部之后,借著拉速與溫度的不斷調(diào)整,可使晶棒直徑維持在正負(fù)2mm之間,這段直徑固定的部分即稱為等徑部分。單晶硅片取自于等徑部分。 (6)尾部生長:在長完等徑部分之后,如果立刻將晶棒與液面分開,那么效應(yīng)力將使得晶棒出現(xiàn)位錯與滑移線。于是為了避免此問題的發(fā)生,必須將晶棒的直徑慢慢縮小,直到成一尖點(diǎn)而與液面分開。這一過程稱之為尾部生長。長完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時(shí)間后取出,即完成一次生長周期。