晶圆材料的生产工艺比较

2024-11-11 SLKOR官网
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硅片是现代电子产业的核心材料,广泛应用于集成电路、太阳能电池、MEMS等领域。硅片(wafer)的生产工艺对其质量、性能和后续的应用至关重要。硅基集成电路工艺中,硅片的纯度、掺杂浓度、晶体结构等参数会直接影响到器件的性能。在硅片生产中,最常用的两种工艺是直拉法(Czochralski,简称CZ法)和区熔法(Float-Zone,简称FZ法)。


一、硅材料的基础知识


在讨论硅片生产工艺之前,我们先了解一下硅材料的基本特性。硅是半导体工业中最常用的材料,因为它具有以下优点:


良好的电子性质:硅具有合适的能带宽度(约1.1 eV),在常温下表现出良好的半导体特性。

丰富的资源:硅是地壳中第二丰富的元素,易于获取且成本低。硅是从沙子中提炼出来的。

良好的热稳定性:硅的熔点高(约1414℃),能够在高温环境下工作而不变性。

氧化层优势:硅表面可以形成一层致密的二氧化硅(SiO2)薄膜,起到绝缘保护作用,非常适合制造MOSFET等器件。


由于这些优点,硅成为了集成电路(IC)和其他微电子器件的主要材料。


二、直拉法(Czochralski,CZ)工艺


1. 工艺简介


直拉法是一种通过将多晶硅在高温下熔化,并用种晶拉制单晶硅的工艺。它由波兰科学家简·直拉尔斯基在1916年发明。直拉法是目前工业上生产硅片最常用的工艺之一,主要用于大规模生产硅片,特别是用于集成电路制造的大尺寸硅片。


图:(a) 直拉法工艺和 (b) 区熔法工艺


2. 工艺步骤


熔化硅料:首先,将高纯度的多晶硅放入一个由石英制成的坩埚中,坩埚被加热至硅的熔点(约1414℃),多晶硅在此温度下熔化成液态硅。

掺杂剂添加:根据需求,掺杂剂(如硼、磷)在硅熔体中加入,以调节单晶硅的导电类型和掺杂浓度。硅片的导电特性取决于所加入的掺杂剂类型和浓度,例如,硼(B)是P型掺杂剂,而磷(P)则是N型掺杂剂。

种晶引入:在液态硅表面引入一根旋转的种晶棒,种晶是一个纯净且完美的单晶硅,它的作用是为新生长的硅提供晶体结构的“模板”。种晶的接触会促使液态硅开始以与种晶相同的晶体取向固化。

晶体拉制:种晶与液态硅接触后,随着种晶缓慢上升,同时保持旋转,液态硅逐渐凝固在种晶的下方形成单晶。晶体的直径由种晶上升的速度和坩埚的温度梯度控制,通常拉制速度在2到25 cm/h之间。较快的拉制速度会产生较细的晶体,而较慢的速度则会产生较粗的晶体。

环境控制:整个拉制过程在一个受控的惰性气体环境中进行(如氩气),以避免硅与空气中的氧发生反应生成二氧化硅,同时减少其他杂质的污染。


3. 优点


大尺寸晶体:直拉法能够生产出较大的单晶硅棒,直径可以达到300mm甚至更大,非常适合大规模集成电路生产。

成本较低:与其他方法相比,直拉法由于工艺相对简单,且可以使用较大体积的硅料,生产成本较低。

广泛应用:直拉法硅片广泛应用于各种电子器件制造,如集成电路、太阳能电池等。


4. 缺点


氧和其他杂质含量较高:由于坩埚和熔体的接触,硅晶体容易受到氧杂质的污染,这些氧原子会在硅晶体中形成氧沉淀,影响硅片的机械和电气性能。

掺杂不均匀性:在拉制过程中,掺杂剂在液态硅和固态硅中的溶解度不同,导致掺杂剂在晶体中的分布不均匀。这种现象被称为熔体分凝(segregation)。


三、区熔法(Float-Zone,FZ)工艺


1. 工艺简介


区熔法是另一种生产高纯度单晶硅的工艺,由亨利·波尔(Henry Theuerer)在1950年代发明。与直拉法不同,区熔法不需要将整个多晶硅熔化,而是只加热小部分硅区,通过熔化和再结晶的方式将多晶硅转化为单晶硅。区熔法主要用于需要极高纯度的硅片,如高性能功率器件和高频器件。


2. 工艺步骤


多晶硅棒制备:首先,将多晶硅加工成一定尺寸的圆柱形硅棒。

种晶引入:在多晶硅棒的一,接触一个种晶这个种晶与直拉法中的种晶类似,用来单晶的生长提供体结构。

热区移动:在多晶硅棒的下方感应加热器或其他加热手段,仅熔化一小部分多晶硅区域,形成一个熔区。随着加热区域缓慢向上移动,熔化的多晶硅在冷却后重新结晶,并转变为晶结构。

掺杂控制:掺杂(如磷或硼)可以通过向周围的惰性气体中引入掺杂气体(如硼烷、磷烷)来控制。这种方式能精确调控硅棒的掺杂浓度。


3. 优点


超高纯度:区熔法硅片由于没有与坩埚接触,因此不容易被氧和其他杂质污染,能够生产出非常高纯度的硅晶体,适合制作对杂质敏感的功率器件和高频器件。

掺杂均匀性好:由于区熔法只熔化一小部分硅,且加热区域在移动过程中会将杂质推向硅棒的一端,因此可以更好地控制掺杂剂的分布,掺杂浓度更加均匀。

低氧含量:由于整个过程避免了硅与石英坩埚的接触,区熔法硅片的氧含量远低于直拉法硅片,适合一些对氧含量要求严格的应用。


4. 缺点


晶体尺寸受限:由于区熔法需要对硅棒进行局部加热,生产过程中硅棒的直径较小,通常不超过200 mm。这使得区熔法不适合大规模集成电路生产,而更适合高性能功率器件和特定应用。

成本较高:区熔法工艺复杂,且生产速度较慢,导致其成本高于直拉法。因此,尽管它在一些高端应用中有其优势,但在大规模生产中不具备经济优势。


四、两种工艺的比较





五、总结


直拉法(CZ)和区熔法(FZ)是硅片生产的两种主要工艺,二者各有优缺点。直拉法适用于大规模集成电路的生产,能够提供较大尺寸的硅片,且生产成本较低;但其晶体中含有较高的氧杂质,掺杂均匀性较差。而区熔法则能够提供超高纯度的硅晶体,掺杂均匀性好,适用于对纯度和掺杂要求极高的应用场景,如功率器件和高频器件,但由于工艺复杂,成本较高,晶体尺寸较小。


在实际应用中,工程师会根据具体的需求和经济考虑,选择合适的硅片生产工艺。例如,若要求硅片的纯度和电学性能极高,且不考虑成本因素,可以选择区熔法;而若需要大尺寸硅片且经济性要求较高,则直拉法是更为合适的选择。

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产品型号
品类
Polarity
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IDD(A)
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FO(Hz)
Output Type
Package
SL1603TH
霍尔传感器
全极
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产品型号
品类
Vᴅʀᴍ(V)
Iᴛ₍ʀᴍs)(A)
Iɢᴛ(μA)
Vɢᴛ(V)
Tᴊ(℃)
Package
MCR100-6
单向可控硅
400
0.8
≤200
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125
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选型表  -  SLKOR 立即选型

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产品型号
品类
Polarity
Iᴄ(A)
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Vᴇʙᴏ(V)
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Package
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