半導體硅片的品質工藝與產品質量

宋艷彤

天津中環半導體股份有限公司

半導體硅片的品質工藝與產品質量

宋艷彤

天津中環半導體股份有限公司

半導體技術是一個國家科研、生產能力的集中代表，是未來社會與建設自動化和智能化的基礎型技術。由于國家政策上和經濟上的大力支持，一段期間內國內成立了大量的半導體材料生產企業，但隨著市場的逐漸飽和，半導體材料產品逐漸出現過剩，企業間的競爭變得空前的激烈，不少企業的生存遇到了困難，因此進一步加強對其的研究非常有必要。在發展過程中要把握當前半導體技術的核心和關鍵，在重點技術環節取得關鍵性突破，這樣，才能將半導體技術更好地推向新的水平，進而適應科學、制造、生產的趨勢需要。

半導體硅片；品質工藝；產品質量

1 半導體技術的發展歷程

半導體技術起源于1948年蕭克立、巴定、布萊坦發明的雙極晶體管，這標志著半導體制造技術的開端，也是人類電子時代到來的標志。1961年，貝爾實驗室發明了硒晶管和鍺晶管，這代表著半導體制造技術進入了成熟階段。由于晶體管具有可集成的特性，在平面加工工藝應用的基礎上，半導體實現了量產化。進入到20世紀70年代，砷化鎵作為新一代半導體制造的新材料取代了第一代半導體材料，半導體產品在工業、軍事、通信方面，實現了大范圍應用。特別是砷化鎵在頻率、噪音、功率、性能上的優勢，使半導體制造的產品得到了廣泛地認可。半導體制造技術已經成為工業生產的基礎性技術。近20年來，氮化鎵為代表的半導體得到了世人的矚目。氮化鎵具有處理效率、光電效能、耐腐蝕、高強度等優良特性，特別在軍事、衛星、通信、計算等方面，有著種種的優勢。相信，隨著半導體制造技術應用的進一步深入，半導體制造技術的優勢將得到進一步展現，半導體制造技術對工業生產和社會發展的效能也將會大幅度提升。

2 半導體生產的特點

2.1 數據采集

首先，要對工序進行失效模式及影響的分析，以便確定測試參數及測試點，以完成原始的數據測量及采集。以某擴散工藝為例，過程受多種因數(如工藝溫度、工藝時間、顆粒、氣體濃度、設備真空度等)的影響，但是過程輸出的主要指標是擴散后氧化層的厚度，所以，應該選擇該膜厚作為關鍵參數進行SPC監控，一旦數據異常即可停機檢查各項過程輸入因數是否出現異常。半導體制造廠都是由MES系統控制整個制造過程，并通過MES控制測試點的設置，抽樣頻率和數量，一般是一個Lot抽測1片Wafer。對于六寸半導體生產線，一般每個Wafer測量5個點(上、中、下、左、右)，位置關系如圖1所示。

圖1 Wafer測量位置示意圖

2.2 數據整理

仍然以某擴散工藝為例，收集到的原始數據一般包括很多采集信息，如工藝時間、批號、生產設備、測試設備、作業員信息等。一般是以生產設備進行分類，將測試的數據按時間前后進行排序，見表1。

表1 某擴散工藝膜厚

2.3 數據分析

半導體制造廠和大多數其他傳統制造行業一樣，采用得最廣泛的是均值—極差圖(X-R)來監控過程狀態，如圖2所示。圖2就是根據表1數據用Minitab作出的均值—極差圖。

圖2 均值一極差控制圖

根據圖2可以看出，有10個點超控制線，說明該工序很不穩定，但這與實際非常不吻合。究其原因，是控制限的計算方法不合理。剛剛我們運用的Minitab，是根據基本的均值—極差控制圖(X-R)的計算方法算的控制限。該技術方法的前提，是所有數據點(25組，每組5個數據，總共125個數據)均是隨機采集的，在這個前提下，可以認為經過每組取平均值后，組間差異是很小的，而組內差異是主要差異。而半導體制造行業因為其數據采集的特殊性，上面章節已經說明過，半導體制造中的一組數據其實就是一個Wafer中5個點的數值，與一般質量管理學意義上的分組原則有所不同，而且所測的位置是固定的并非隨機抽測，這勢必造成位置差異，所以極差代表的是片內均勻性，組平均值之間的差異代表的Lot與Lot之間的差異，選用這樣的平均極差來計算平均值控制限毫無意義。

圖3 單晶檢驗流程

3 半導體硅片的品質工藝

3.1 材料檢驗的分類

由于質量的實時跟蹤，質檢在半導體材料生產加工的各個工序中都在進行，根據半導體材料在加工中的形態可將檢驗分為晶體檢驗、晶片檢驗。

其中單晶檢驗就屬于晶體檢驗，切片檢驗、磨片檢驗就屬于晶片檢驗。

以單晶檢驗為例，檢驗流程如圖3所示。

3.2 檢驗項目、檢驗設備及方法

3.2.1 硅片的直徑。儀器：卡尺方法：使用前必須對卡尺進行校準。把卡尺推緊，使卡尺長腳一端的兩個內平面對齊貼緊，不要有縫隙，讀出卡尺準確數值。如卡尺有誤差，在測量時一定要把誤差計算在內。

3.2.2 硅片的型號。儀器：導電類型測試儀方法：打開導電類型測試儀預熱10分鐘后，用N/P型號樣塊進行校對。用冷熱探針輕點硅片表面，所顯示的N或P即為該硅片的型號。

3.2.3 硅片的晶向。儀器：X射線定向儀方法：首先對儀器進行校準，之后可根據作業指導書進行操作，測試過程中，X射線不要對著任何人。

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