半導(dǎo)體硅片退火后檢測工藝的發(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，需要對其進行提純和精煉，才能形成硅片。而在此過程中，硅需要進行退火處理，以消除硅片中供氧體的影響，同時也減少了內(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

1.區(qū)熔硅單晶。這是晶體生長的常用方法之一，無需坩堝，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)方法中添加一個強磁場，以有效抑制熱對流，實現(xiàn)單晶的生長。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。在單晶生產(chǎn)過程中，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、沸點及結(jié)構(gòu)。在研究過程中，人們將晶格的排列進行了劃分。而在其生長過程中，單晶沿著一定的晶向生長，最終實現(xiàn)晶格的規(guī)則化排列。

二、硅片簡介

硅片是制作集成電路的重要材料，通過對硅片進行光刻、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算能力。科技的發(fā)展不斷推動著半導(dǎo)體的發(fā)展。自動化和計算機等技術(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)和國防等領(lǐng)域。此外，因地殼中含量達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量最豐富的元素之一，對太陽能電池這樣注定要進入大規(guī)模市場(mass market)的產(chǎn)品而言，儲量的優(yōu)勢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。離子注入機作為半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)中的一項重要環(huán)節(jié)及工藝，可用來改變半導(dǎo)體晶片中相關(guān)材料的導(dǎo)電率。在這項工作中，雜質(zhì)需通過電離去除，并經(jīng)加速形成離子注入。這項工作的關(guān)鍵是要合理控制準確度和雜質(zhì)濃度。作為半導(dǎo)體制造過程中最復(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。在運行過程中，氣態(tài)物質(zhì)會在工藝流程中產(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，而是通過分析磁鐵，進入下一環(huán)節(jié)的掃描系統(tǒng)，最后通過加速管注入硅片中。2.四探針電阻測量儀。無論是通過離子注入獲得退火性能還是合金工藝質(zhì)量，都有必要對硅片進行直接測量。因此，四探針電阻測量計是經(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、冷卻等工藝過程。實驗機采用由多個獨立的爐膛組成的工藝段，各工序過程加熱溫度、時間、氣氛等工藝參數(shù)可靈活調(diào)整，并且通過調(diào)節(jié)工藝段的長度，可改變每個工藝段的處理時間。在確定各工藝段長度后，熱處理時間也可根據(jù)帶鋼行走速度進行調(diào)整。由于連續(xù)退火爐采用氫氣作為保護氣氛及冷卻介質(zhì)，因而采取了多種安全措施：1.在退火過程中，爐內(nèi)保持微正壓狀態(tài)，使爐內(nèi)氣氛壓高于大氣，防止空氣溢入；2.將自動點火裝置設(shè)于退火爐入口及快冷段口，將萬一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)動齒輥可在線喂入新毛氈；4.入口段及快冷段采用手動風門，事故時關(guān)閉，有效防止氧氣侵入。

五、設(shè)備機械設(shè)計

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

六、退火系統(tǒng)均勻性檢測工藝

（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 時的導(dǎo)熱系數(shù)為142.2W/m·K，400K 時的導(dǎo)熱系數(shù)為97.4W/m·K。非恒定的導(dǎo)熱系數(shù)對溫度場的計算結(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

要想完成整個功能模塊的重新設(shè)計、集成和制程，保證決策樹檢測分類功能模塊與檢測分類間的一致性。在這個過程中，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)計過程中，需對多晶硅和單晶硅的屬性進行分類。并且設(shè)計多采用開放式結(jié)構(gòu)，即根據(jù)用戶的實際需要或生產(chǎn)需要來判斷屬性的類別。

（三）超聲清洗工藝

超聲清洗主要是基于對物理清洗過程的分析，將清洗劑倒入清洗槽中，采用超聲波技術(shù)對清洗槽進行處理。當聲壓超過一定賦值時，這些氣泡會不斷增長，正壓區(qū)內(nèi)的氣泡會相互擠壓和閉合，液體間的碰撞也會引起強烈的沖擊波。

（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。在切割過程中，需要對其進行實時有效的控制。張力過小，鋼絲彎曲度會增大，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；張力過大，懸浮在鋼線上的碳化硅粉末很難進入切割部位，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)周期長等優(yōu)點；而等溫型則適用于球化困難、球化質(zhì)量要求高的滾動軸承鋼。等溫型是快冷到適當保溫溫度，溫度略低于Ar1，一般冷卻速率≤30℃/h，使奧氏體在此溫度下進行等溫轉(zhuǎn)變形成珠光體。由于快冷過冷度大，析出的碳化物相對分散細小，在保溫過程中得到細小均勻的球化物，這樣能使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，縮短轉(zhuǎn)變時間及生產(chǎn)周期。等溫型冷卻組織較均勻，且能在退火后嚴格控制硬度。

（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

硅片從確認訂單開始，就由市場部、研發(fā)部、制造部、品質(zhì)部同時協(xié)調(diào)跟蹤執(zhí)行，由市場部及時同客戶聯(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，交給制造部進行生產(chǎn)，最終由品質(zhì)部檢驗出廠。整個過程中，各個部門間的協(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)實力。

（二）反饋處理

產(chǎn)品出現(xiàn)反饋時，會由市場部首先通知品質(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，進行分析并向客戶提供報告，由市場部同客戶進行溝通解決。同時品質(zhì)部將對在線產(chǎn)品及庫存成品進行風險評估，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)用時代的重要基礎(chǔ)，從第一代集成電路到現(xiàn)在，經(jīng)過長期的發(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。同時，晶片生產(chǎn)過程的退火檢測技術(shù)也是影響其性能和質(zhì)量的重要內(nèi)容。