半導(dǎo)體硅片退火后檢測(cè)工藝的發(fā)展探討

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。