半导体行业之晶体生长和硅片准备（三）

 

晶体生长

 

我们看到的半导体晶圆是从一块完整的半导体大晶体切成出来形成的。这些晶体，也被称为锭，是由大块的内在物质生长而成的具有多晶结构的并且未掺杂的材料。将多晶块转化为单晶结构的大晶体的过程中，必须要保证晶体具有正确的取向和并且要依照的n型或p型的要求进行，这个总体的过程称为晶体增长。

有三种不同的方法可以用来生长晶体:Czochralski方法(CZ)，液体法和浮动区技术。

 

Czochralski方法

 

大多数硅晶体是通过CZ法生长的(如下图所示)。主要的制备设备由石英(二氧化硅)坩埚组成，由周围的线圈加热携带射频(RF)波或通过电加热器来进行加热。坩埚里面要装好块状多晶的半导体材料和少量的掺杂剂。选择不同的掺杂材料就可以形成n型或p型晶体。首先，在1415℃下将聚合物和掺杂剂加热到液态(如下图所示)。接下来,一个种子晶体正好与液体物质的表面接触(称为晶体，参与这个融化的过程)。种子是一个小晶体，具有成品晶体所需的相同晶体方向(如下图所示)。化学蒸汽可以产生种子技术。在实践中，它们是先前生长的晶体碎片，可以作为种子使用。

晶体的生长开始于种子慢慢升到熔体之上。表面种子和熔体之间的张力导致熔体的薄膜粘附在去籽，然后冷却。在冷却过程中，第一层原子熔化半导体材料将自己定向到晶体结构的种子上。原子连续的层继续复制种子晶体的方向。净效果是种子的晶体取向在生长的晶体中传播。熔体中的掺杂原子融入到生长的晶体中，形成n型或p型晶体。

为了能够达到掺杂均匀，晶体完美，并且实现晶圆的直径可控，在加热过程中不断通过改变压力来施加影响，加热速率受到控制，坩埚和坩埚沿相反方向旋转整个晶体生长过程。过程控制需要复杂的反馈该系统集成了转速、拉速和熔体等参数温度。水晶被拉成三段。首先形成一个细脖子，然后是晶体体，末端有钝尾。CZ方法能够生产晶体几英尺长，直径达450毫米(18英寸)。一个450毫米晶圆的重量约800公斤，需要经过3天的时间才能生长。

较重的晶体会导致小直径(约4毫米)的种子破裂。一种解决方案是通过一种叫做“颈突”的过程来开始生长。在生长初期，生长增厚的切片。它提供了机械的支撑较大晶体的强度(见下图所示)。

Liquid-Encapsulated Czochralski

 

Liquid-encapsulated czochralski (LEC)晶体生长方法，可以用来种植砷化镓。这个过程与标准的CZ过程基本相同，但有一个重大的修改。这种与一般方法不同的修改点是必需的，因为砷在熔体中的蒸发特性和一般材料不同。在晶体生长的温度下，镓和砷发生反应，砷会蒸发，进而产生不均匀的晶体。

有两种方法可以解决这个问题。一种是对晶体生长室加压，抑制砷的蒸发。另一个是LEC过程(如下图所示)。LEC使用一层三氧化二硼(B2O3)材料漂浮在水面上熔化以抑制砷的蒸发。在这种方法中，大约1 atm的压力是压力室内要求。

审核编辑：刘清