半導體硅片退火后檢測工藝的發展探討

張婷婷

（西安派瑞功率半導體變流技術股份有限公司，陜西 西安 710000）

半導體硅片退火工藝在硅片生產中起著重要作用。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，同時也減少了內部缺陷。該工藝是制備半導體硅片的重要環節，而退火后的工藝檢測是硅片生產的最后一步，是保證硅片質量的重要依據。

一、半導體材料概述

（一）半導體材料

半導體是一種在導電性上介于金屬與絕緣體之間的材料。其中，由一類元素構成的半導體被稱作元素半導體，比如Si 和Ge。硅是當前電路生產中使用最普遍的一種半導體材料，而且應用前景廣闊。

（二）半導體材料的生長

1.區熔硅單晶。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生，能生成雜質含量低的單晶，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，經過加熱將其熔化，將籽晶加入其中，不斷旋轉，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，它是在常規方法中添加一個強磁場，以有效抑制熱對流，實現單晶的生長。該種方法可有效減少氧含量，提高電阻率均衡性。4.半導體的型號。在單晶生產過程中，根據摻雜元素的不同，可將其分為P 型與N 型。半導體的型號非常重要，是生產有關器件的關鍵依據，在很大程度上影響器件的性質，因此必須劃分清楚。5.晶向。在常壓下，單晶有著不變的熔點、沸點及結構。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，最終實現晶格的規則化排列。

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，可制成各種半導體器件。用硅片制成的芯片有著驚人的運算能力?？萍嫉陌l展不斷推動著半導體的發展。自動化和計算機等技術發展，使硅片(集成電路)這種高技術產品的造價已降到十分低廉的程度，這使得硅片已廣泛應用于航空航天、工業、農業和國防等領域。此外，因地殼中含量達25.8%的硅元素，為單晶硅的生產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模市場(mass market)的產品而言，儲量的優勢也是硅成為光伏主要材料的原因之一。

三、退火系統設備及其工作原理

1.離子注入機。離子注入機作為半導體生產技術中的一項重要環節及工藝，可用來改變半導體晶片中相關材料的導電率。在這項工作中，雜質需通過電離去除，并經加速形成離子注入。這項工作的關鍵是要合理控制準確度和雜質濃度。作為半導體制造過程中最復雜的部分，其結構包括離子源、分析磁鐵、加速管等部件。在運行過程中，氣態物質會在工藝流程中產生雜質離子，并在系統的影響下，轉化為離子束。但在這一環節，離子束并不能真正應用，而是通過分析磁鐵，進入下一環節的掃描系統，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常使用的設備。

四、退火系統設備的目的

硅片退火設備的目的是研究開發硅片產品，以及優化研究連續退火工藝。硅連續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、氣氛等工藝參數可靈活調整，并且通過調節工藝段的長度，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帶鋼行走速度進行調整。由于連續退火爐采用氫氣作為保護氣氛及冷卻介質，因而采取了多種安全措施：1.在退火過程中，爐內保持微正壓狀態，使爐內氣氛壓高于大氣，防止空氣溢入；2.將自動點火裝置設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，事故時關閉，有效防止氧氣侵入。

五、設備機械設計

為了使硅片檢測裝置的滑塊組件在運行中不發生自鎖現象，保證運行的靈敏度，有必要對機械零件的尺寸及材質進行合理的設計。因此，在設備的機械設計中，要保證光學探頭上開啟推板推力產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軌，運動部件的質量設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，檢測裝置設置在高溫區硅片上方，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部機構的環境控制，在測量孔上設置了滑塊組件。當掃描探頭不在觀察孔正上方時，滑塊組件關閉觀察孔，從而防止硅片帶來的熱氣進入水冷工作室內腔。

六、退火系統均勻性檢測工藝

（一）導熱系數

硅材料的導熱系數隨溫度而變化，比如：300K 時的導熱系數為142.2W/m·K，400K 時的導熱系數為97.4W/m·K。非恒定的導熱系數對溫度場的計算結果影響很大，在有限元模擬中必須充分考慮導熱系數隨溫度的變化狀況。

（二）模塊系統設計

要想完成整個功能模塊的重新設計、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。通常在設計過程中，需對多晶硅和單晶硅的屬性進行分類。并且設計多采用開放式結構，即根據用戶的實際需要或生產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，正壓區內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）硅片的質量控制

鋼線張力是硅片質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，易出現跳線，產生線痕等缺陷，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。在生產中，鋼線張力應在基本滿足晶片幾何參數的情況下適當調整，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、生產周期長等優點；而等溫型則適用于球化困難、球化質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，這樣能使奧氏體轉變為珠光體，縮短轉變時間及生產周期。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

在連續退火生產中，為了獲得良好的力學性能及板形，帶鋼在兩相區保溫后不立即冷卻，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、質量跟蹤與反饋處理

（一）質量跟蹤

硅片從確認訂單開始，就由市場部、研發部、制造部、品質部同時協調跟蹤執行，由市場部及時同客戶聯系溝通，了解客戶的產品用途，最大化滿足客戶需求，反映給研發部，研發部根據產品用途及需求，制定生產方案，交給制造部進行生產，最終由品質部檢驗出廠。整個過程中，各個部門間的協同合作非常重要，互相協調，互相配合，才能最大化的發揮企業實力。

（二）反饋處理

產品出現反饋時，會由市場部首先通知品質部，品質部根據產品的出廠追溯，查找反饋產品的生產記錄，并聯系研發部、制造部一同分析造成反饋的原因，若是工藝原因，將由研發部研究更改生產工藝，以配合客戶的需求，若是生產制造原因，由制造部檢查設備及可能造成反饋的原因，品質部收集數據資料后，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。同時品質部將對在線產品及庫存成品進行風險評估，制定解決處理方案，保證后續供貨的產品質量。

綜上所述，集成電路的發展是信息技術應用時代的重要基礎，從第一代集成電路到現在，經過長期的發展，人們已完全依賴這種技術手段，半導體材料也已成為集成電路制造過程中的重要技術材料。目前，大多數半導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體材料，具有許多優勢。同時，晶片生產過程的退火檢測技術也是影響其性能和質量的重要內容。