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        半導(dǎo)體硅片退火后檢測(cè)工藝的發(fā)展探討

        2021-11-27 09:36:52張婷婷
        魅力中國(guó) 2021年23期
        關(guān)鍵詞:工藝生產(chǎn)檢測(cè)

        張婷婷

        (西安派瑞功率半導(dǎo)體變流技術(shù)股份有限公司,陜西 西安 710000)

        半導(dǎo)體硅片退火工藝在硅片生產(chǎn)中起著重要作用。由于自然界中不存在單體硅,硅主要以氧化物或硅酸鹽的形式存在,需要對(duì)其進(jìn)行提純和精煉,才能形成硅片。而在此過(guò)程中,硅需要進(jìn)行退火處理,以消除硅片中供氧體的影響,同時(shí)也減少了內(nèi)部缺陷。該工藝是制備半導(dǎo)體硅片的重要環(huán)節(jié),而退火后的工藝檢測(cè)是硅片生產(chǎn)的最后一步,是保證硅片質(zhì)量的重要依據(jù)。

        一、半導(dǎo)體材料概述

        (一)半導(dǎo)體材料

        半導(dǎo)體是一種在導(dǎo)電性上介于金屬與絕緣體之間的材料。其中,由一類元素構(gòu)成的半導(dǎo)體被稱作元素半導(dǎo)體,比如Si 和Ge。硅是當(dāng)前電路生產(chǎn)中使用最普遍的一種半導(dǎo)體材料,而且應(yīng)用前景廣闊。

        (二)半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)

        1.區(qū)熔硅單晶。這是晶體生長(zhǎng)的常用方法之一,無(wú)需坩堝,因此避免了污染的產(chǎn)生,能生成雜質(zhì)含量低的單晶,也可用來(lái)提純處理。2.直拉硅單晶。這種方法是將材料放入坩堝中,經(jīng)過(guò)加熱將其熔化,將籽晶加入其中,不斷旋轉(zhuǎn),依靠其中的溫度梯度生成單晶。該種方法的效率較高,且容易實(shí)現(xiàn)大直徑化。3.MCZ 法硅單晶。這種方法也是直拉法的一種,它是在常規(guī)方法中添加一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng),以有效抑制熱對(duì)流,實(shí)現(xiàn)單晶的生長(zhǎng)。該種方法可有效減少氧含量,提高電阻率均衡性。4.半導(dǎo)體的型號(hào)。在單晶生產(chǎn)過(guò)程中,根據(jù)摻雜元素的不同,可將其分為P 型與N 型。半導(dǎo)體的型號(hào)非常重要,是生產(chǎn)有關(guān)器件的關(guān)鍵依據(jù),在很大程度上影響器件的性質(zhì),因此必須劃分清楚。5.晶向。在常壓下,單晶有著不變的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)及結(jié)構(gòu)。在研究過(guò)程中,人們將晶格的排列進(jìn)行了劃分。而在其生長(zhǎng)過(guò)程中,單晶沿著一定的晶向生長(zhǎng),最終實(shí)現(xiàn)晶格的規(guī)則化排列。

        二、硅片簡(jiǎn)介

        硅片是制作集成電路的重要材料,通過(guò)對(duì)硅片進(jìn)行光刻、離子注入等手段,可制成各種半導(dǎo)體器件。用硅片制成的芯片有著驚人的運(yùn)算能力??萍嫉陌l(fā)展不斷推動(dòng)著半導(dǎo)體的發(fā)展。自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)等技術(shù)發(fā)展,使硅片(集成電路)這種高技術(shù)產(chǎn)品的造價(jià)已降到十分低廉的程度,這使得硅片已廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國(guó)防等領(lǐng)域。此外,因地殼中含量達(dá)25.8%的硅元素,為單晶硅的生產(chǎn)提供了取之不盡的源泉。由于硅元素是地殼中儲(chǔ)量最豐富的元素之一,對(duì)太陽(yáng)能電池這樣注定要進(jìn)入大規(guī)模市場(chǎng)(mass market)的產(chǎn)品而言,儲(chǔ)量的優(yōu)勢(shì)也是硅成為光伏主要材料的原因之一。

        三、退火系統(tǒng)設(shè)備及其工作原理

        1.離子注入機(jī)。離子注入機(jī)作為半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)及工藝,可用來(lái)改變半導(dǎo)體晶片中相關(guān)材料的導(dǎo)電率。在這項(xiàng)工作中,雜質(zhì)需通過(guò)電離去除,并經(jīng)加速形成離子注入。這項(xiàng)工作的關(guān)鍵是要合理控制準(zhǔn)確度和雜質(zhì)濃度。作為半導(dǎo)體制造過(guò)程中最復(fù)雜的部分,其結(jié)構(gòu)包括離子源、分析磁鐵、加速管等部件。在運(yùn)行過(guò)程中,氣態(tài)物質(zhì)會(huì)在工藝流程中產(chǎn)生雜質(zhì)離子,并在系統(tǒng)的影響下,轉(zhuǎn)化為離子束。但在這一環(huán)節(jié),離子束并不能真正應(yīng)用,而是通過(guò)分析磁鐵,進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的掃描系統(tǒng),最后通過(guò)加速管注入硅片中。2.四探針電阻測(cè)量?jī)x。無(wú)論是通過(guò)離子注入獲得退火性能還是合金工藝質(zhì)量,都有必要對(duì)硅片進(jìn)行直接測(cè)量。因此,四探針電阻測(cè)量計(jì)是經(jīng)常使用的設(shè)備。

        四、退火系統(tǒng)設(shè)備的目的

        硅片退火設(shè)備的目的是研究開發(fā)硅片產(chǎn)品,以及優(yōu)化研究連續(xù)退火工藝。硅連續(xù)退火模擬機(jī)的主要功能是完成樣品的加熱、脫碳、還原、滲氮、MgO涂覆、冷卻等工藝過(guò)程。實(shí)驗(yàn)機(jī)采用由多個(gè)獨(dú)立的爐膛組成的工藝段,各工序過(guò)程加熱溫度、時(shí)間、氣氛等工藝參數(shù)可靈活調(diào)整,并且通過(guò)調(diào)節(jié)工藝段的長(zhǎng)度,可改變每個(gè)工藝段的處理時(shí)間。在確定各工藝段長(zhǎng)度后,熱處理時(shí)間也可根據(jù)帶鋼行走速度進(jìn)行調(diào)整。由于連續(xù)退火爐采用氫氣作為保護(hù)氣氛及冷卻介質(zhì),因而采取了多種安全措施:1.在退火過(guò)程中,爐內(nèi)保持微正壓狀態(tài),使?fàn)t內(nèi)氣氛壓高于大氣,防止空氣溢入;2.將自動(dòng)點(diǎn)火裝置設(shè)于退火爐入口及快冷段口,將萬(wàn)一存在的氫氧混合氣體燃燒;3.入口段及出口用尖齒輥壓毛氈壓封,以減少氧氣入侵。轉(zhuǎn)動(dòng)齒輥可在線喂入新毛氈;4.入口段及快冷段采用手動(dòng)風(fēng)門,事故時(shí)關(guān)閉,有效防止氧氣侵入。

        五、設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)

        為了使硅片檢測(cè)裝置的滑塊組件在運(yùn)行中不發(fā)生自鎖現(xiàn)象,保證運(yùn)行的靈敏度,有必要對(duì)機(jī)械零件的尺寸及材質(zhì)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。因此,在設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)中,要保證光學(xué)探頭上開啟推板推力產(chǎn)生的附加機(jī)械彎矩盡可能小,機(jī)械滑塊組件的滑軌需采用直線導(dǎo)軌,運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量設(shè)計(jì)是在保證機(jī)械所需無(wú)疲勞損傷的前提下,越小越好,從而減小運(yùn)動(dòng)的慣性力,減少機(jī)械振動(dòng),增加運(yùn)動(dòng)的靈活性。由于退火爐熱端溫度較高,檢測(cè)裝置設(shè)置在高溫區(qū)硅片上方,容易影響檢測(cè)裝置的檢測(cè)精度和使用壽命。因此,為了保證檢測(cè)裝置的掃描探頭及其內(nèi)部機(jī)構(gòu)的環(huán)境控制,在測(cè)量孔上設(shè)置了滑塊組件。當(dāng)掃描探頭不在觀察孔正上方時(shí),滑塊組件關(guān)閉觀察孔,從而防止硅片帶來(lái)的熱氣進(jìn)入水冷工作室內(nèi)腔。

        六、退火系統(tǒng)均勻性檢測(cè)工藝

        (一)導(dǎo)熱系數(shù)

        硅材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度而變化,比如:300K 時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為142.2W/m·K,400K 時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為97.4W/m·K。非恒定的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果影響很大,在有限元模擬中必須充分考慮導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化狀況。

        (二)模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        要想完成整個(gè)功能模塊的重新設(shè)計(jì)、集成和制程,保證決策樹檢測(cè)分類功能模塊與檢測(cè)分類間的一致性。在這個(gè)過(guò)程中,需重新定義硅片的類型,并以此作為主要的決策依據(jù)。通常在設(shè)計(jì)過(guò)程中,需對(duì)多晶硅和單晶硅的屬性進(jìn)行分類。并且設(shè)計(jì)多采用開放式結(jié)構(gòu),即根據(jù)用戶的實(shí)際需要或生產(chǎn)需要來(lái)判斷屬性的類別。

        (三)超聲清洗工藝

        超聲清洗主要是基于對(duì)物理清洗過(guò)程的分析,將清洗劑倒入清洗槽中,采用超聲波技術(shù)對(duì)清洗槽進(jìn)行處理。當(dāng)聲壓超過(guò)一定賦值時(shí),這些氣泡會(huì)不斷增長(zhǎng),正壓區(qū)內(nèi)的氣泡會(huì)相互擠壓和閉合,液體間的碰撞也會(huì)引起強(qiáng)烈的沖擊波。

        (四)硅片的質(zhì)量控制

        鋼線張力是硅片質(zhì)量控制的核心要素之一。在切割過(guò)程中,需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的控制。張力過(guò)小,鋼絲彎曲度會(huì)增大,帶砂能力降低,易出現(xiàn)跳線,產(chǎn)生線痕等缺陷,切割能力下降;張力過(guò)大,懸浮在鋼線上的碳化硅粉末很難進(jìn)入切割部位,易斷線,降低切割效率。在生產(chǎn)中,鋼線張力應(yīng)在基本滿足晶片幾何參數(shù)的情況下適當(dāng)調(diào)整,一般控制在28~30N。

        (五)冷卻速度退火的冷卻方式

        一般可分為緩冷型及等溫型2 種,其中,緩冷型具有裝量大、操作方便、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn);而等溫型則適用于球化困難、球化質(zhì)量要求高的滾動(dòng)軸承鋼。等溫型是快冷到適當(dāng)保溫溫度,溫度略低于Ar1,一般冷卻速率≤30℃/h,使奧氏體在此溫度下進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變形成珠光體。由于快冷過(guò)冷度大,析出的碳化物相對(duì)分散細(xì)小,在保溫過(guò)程中得到細(xì)小均勻的球化物,這樣能使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w,縮短轉(zhuǎn)變時(shí)間及生產(chǎn)周期。等溫型冷卻組織較均勻,且能在退火后嚴(yán)格控制硬度。

        (六)快冷開始溫度

        在連續(xù)退火生產(chǎn)中,為了獲得良好的力學(xué)性能及板形,帶鋼在兩相區(qū)保溫后不立即冷卻,而是緩慢冷卻到一定溫度后再快速冷卻。隨著溫度的降低,雙相鋼基體中馬氏體的含量有所降低,這是由于部分奧氏體分解為鐵素體所致。

        七、質(zhì)量跟蹤與反饋處理

        (一)質(zhì)量跟蹤

        硅片從確認(rèn)訂單開始,就由市場(chǎng)部、研發(fā)部、制造部、品質(zhì)部同時(shí)協(xié)調(diào)跟蹤執(zhí)行,由市場(chǎng)部及時(shí)同客戶聯(lián)系溝通,了解客戶的產(chǎn)品用途,最大化滿足客戶需求,反映給研發(fā)部,研發(fā)部根據(jù)產(chǎn)品用途及需求,制定生產(chǎn)方案,交給制造部進(jìn)行生產(chǎn),最終由品質(zhì)部檢驗(yàn)出廠。整個(gè)過(guò)程中,各個(gè)部門間的協(xié)同合作非常重要,互相協(xié)調(diào),互相配合,才能最大化的發(fā)揮企業(yè)實(shí)力。

        (二)反饋處理

        產(chǎn)品出現(xiàn)反饋時(shí),會(huì)由市場(chǎng)部首先通知品質(zhì)部,品質(zhì)部根據(jù)產(chǎn)品的出廠追溯,查找反饋產(chǎn)品的生產(chǎn)記錄,并聯(lián)系研發(fā)部、制造部一同分析造成反饋的原因,若是工藝原因,將由研發(fā)部研究更改生產(chǎn)工藝,以配合客戶的需求,若是生產(chǎn)制造原因,由制造部檢查設(shè)備及可能造成反饋的原因,品質(zhì)部收集數(shù)據(jù)資料后,進(jìn)行分析并向客戶提供報(bào)告,由市場(chǎng)部同客戶進(jìn)行溝通解決。同時(shí)品質(zhì)部將對(duì)在線產(chǎn)品及庫(kù)存成品進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,制定解決處理方案,保證后續(xù)供貨的產(chǎn)品質(zhì)量。

        綜上所述,集成電路的發(fā)展是信息技術(shù)應(yīng)用時(shí)代的重要基礎(chǔ),從第一代集成電路到現(xiàn)在,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展,人們已完全依賴這種技術(shù)手段,半導(dǎo)體材料也已成為集成電路制造過(guò)程中的重要技術(shù)材料。目前,大多數(shù)半導(dǎo)體芯片和器件在使用材料的過(guò)程中主要使用硅,硅是目前最常見的半導(dǎo)體材料,具有許多優(yōu)勢(shì)。同時(shí),晶片生產(chǎn)過(guò)程的退火檢測(cè)技術(shù)也是影響其性能和質(zhì)量的重要內(nèi)容。

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