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晶圆制备–如何从沙子到wafer?

导读: 我们所讲的半导体制造,它的载体一定是晶圆(Wafer),这个东西是怎么来的?我们今天就来好好讲讲。

  我们所讲的半导体制造,它的载体一定是晶圆(Wafer),这个东西是怎么来的?我们今天就来好好讲讲。

  前面讲N-Si和P-Si掺杂的时候讲过了,我们的Si一定都是单晶晶格的,而掺杂的原子必须跑到它的晶格上与Si形成共用电子对的共价键后多出电子或空穴而参与导电,如果我们用了多晶或者非晶,这些没有规律的结构导致我们无法掌控他的载流子迁移率所以无法控制它的电性,所以我们的wafer一定要是是Si的单晶。当然晶体的结构分三种:非晶(Amorphous)、多晶(Polycrystalline)、单晶(single crystalline)。非晶就是没有规则没有重复的结构,单晶是指晶体结构一致性且长程有序,而多晶顾名思义就是小范围内有顺序,而大范围内无序,所以是短程有序。分别如下图。

  现在我们来讲讲,为什么用为什么用沙子做为原材料来制备晶圆?选择沙子的主要原因是因为沙子的主要成分是SiO2,而半导体的原材料就是硅(Si),所以直接从沙子里面提取就可以了。其次是他便宜,因为它取之不尽用之不竭,沙子到处都是吧。而且Si在地球的元素含量仅次于氧,多的很呢。当然为什么后面又发展到GaAs、SiGe、GaN?我后面再讲,主要是因为禁带宽度。

  先简单讲下硅(Si)的特性吧,台湾的教材叫做“矽”。英文名叫Silicon。原子序号为14,原子量为28。在晶格中Si-Si键的长度是2.352A,固体密度是2.33g/cm3,熔点是1414C,正四面体结构。说起晶格,自然就有晶向和晶面的概念,我们的半导体晶向有<100>,<110>和<111>三种晶向,晶面自然就有[100],[110]和[111]三种,分别如下图所示。所以沿着晶向(正对着晶面)的放下看下去你看到的原子排布是不一样的(想象下立方体各个角度看到的顶点),如果用蚀刻去吃Si,所以在每个面沿着晶格吃下去的凹坑也会不一样了(这就是为什么有各种各样的晶格缺陷),如下图所示。

  上面讲的完整的晶格,当然很多情况下晶格都是有缺陷的,有Si脱离晶格进入间隙,有杂质不在晶格上而在间隙里(interstitial),当然多个缺陷在一起那就是错位了(dislocation),比如层错、位错、堆垛层错(stacking faults)等等。而这些dislocation都是将来俘获载流子的中心(Trapping center)导致载流子寿命降低而影响电性或产生漏电。

  如何从沙子到硅(Si)?虽然我们嘴巴上说硅片是从沙子来的,但是这期间的艰难又有谁人知啊?简单点讲就是要提纯成多晶硅,然后再用多晶硅为原材料制造单晶硅。

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