理研科普|半导体工艺全流程之晶体生长和晶圆制备

半导体制造的工艺过程由硅晶圆制造、硅的氮氧化膜、光刻蚀、气相沉积、外延生长、刻蚀、抛光以及后期的成品入库所组成。其中硅晶圆的制造是所需技术最复杂且资金投入最多的过程。

晶圆，又被叫为硅晶圆，是指制作硅半导体电路所用的硅晶片，其原料就是硅。作为半导体工业的基础工序： 

硅晶圆是如何生长的？

它又是如何制备的呢？

在制备过程中有哪些危险气体伴随着？

如何安全检测安全生产？

硅晶圆是如何生长的？

又是如何制备的呢？

制造集成电路级硅晶圆分4个阶段进行： 

1.矿石到高纯度气体的转变；

2.气体到多晶的转变；

3.多晶到单晶、掺杂晶棒的转变；

4.晶棒到晶圆的制备；

半导体制备的第一个阶段是从泥土中选取和提纯半导体材料的原料。

提纯从化学反应开始，对于硅，化学反应是从矿石到硅化物气体，例如四氟化硅或三氯硅烷。硅化物再和氢反应生成半导体级的硅。这样的硅纯度达99.9999999%，是地球上最纯的物质之一，它由一种称为多晶或多晶硅的晶体结构。

材料中原子的组织结构是导致材料不同的一种方式。有些材料，例如硅和锗，原子在整个材料里重复排列成非常固定的结构，这种材料称为晶体。图片来源@网络，侵删

原子没有固定的周期性排列的材料被称为非晶体或无定形，塑料就是无定形材料的例子。

半导体晶圆是从大块的半导体材料切割而来的。这种半导体材料，或称为硅锭，是从大块的具有多晶结构和未掺杂本征材料生长得来的。把多晶转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。

通常使用三种不同的方法来生长单晶：

直拉法；

液体掩盖直拉法；

区熔法；

半导体器件需要高度完美的晶体。但是即使使用了最成熟的技术，完美的晶体还是得不到的。不完美，就称为晶体缺陷，会产生不均匀的二氧化硅膜生长、差的外延膜沉积、晶圆里不均匀的掺杂层，以及其他问题而导致工艺问题。

在完成的器件中，晶体缺陷会引起有害的电流漏出，可能阻止器件在正常电压下工作。

晶体从单晶炉里出来以后，到最终的晶圆会经历一系列的步骤。第一步是用锯子截掉头尾。在晶体生长过程中，整个晶体长度中直径是有偏差的。晶圆制造过程有各种各样的晶圆固定器和自动设备，需要严格的直径控制以减少晶圆翘曲和破碎。图片来源@网络，侵删

直径滚磨是在一个无中心的滚磨机上进行的机械操作，机器滚磨晶体到合适的直径。这些刀片是中心有圆孔的薄圆钢片，圆孔的内缘是切割边缘，用金刚石涂层。图片来源@网络，侵删

就像我们生产好的高铁轨道一样，每一段上都要刻好工号，以对应相应的生产人，这样来保证产品的可追溯性。

半导体晶圆的表面要规则，且没有切割损伤，并要完全平整。图片来源@网络，侵删磨片是一个传统的磨料研磨工艺，精调到半导体使用的要求，主要目的是去除切片工艺残留的表面损伤。硅晶圆生产过程中 正如上一篇文章《理研科普|半导体制造业和这些气体相爱相杀！》提到的，我国半导体工业近年来发展迅速，半导体芯片厂使用了太多以往并不曾使用的各种特殊材料气体，而且其用量有强劲的上升趋势。特殊材料气体所具有的危害性是非常多的，包括毒性、自燃性、助然性、自行分解性、窒息性、腐蚀性等，特别是其毒性一般都是非常强的。

一方面，这些特殊材料气体中有许多对人体有害的物质，另一方面，易燃易爆的特骄材料气体例如硅烷(Siln)泄漏后易引起火灾爆炸的事故发生。

另外，这些气体多在洁净室(Clean room)内其有密封性的环境中使用，一旦发生泄漏时危险性极大，其损失也非常庞大。

硅晶圆的制造生产过程中产生的有害物质有氯气、氢气、三氯氢硅、氯化氢等，生产过程中存在火灾，爆炸，中毒，窒息等诸多危险。同时，由于整个作业需要在Ar环境下进行，如果Ar泄漏则会引起缺氧！

氢气与空气混合能形成一种混合比范围很宽的混合物，且点燃混合物能量低，遇热或明火即会发生爆炸。气体比空气轻，在室内使用和储存时，漏气上升滞留屋顶不易排出，遇火星会引起爆炸。氢气与氟、氯、溴等卤素会剧烈反应。

在多晶硅生产中，要把三氯氢硅和四氯化硅充分还原，必须加入多量的还原剂氢气加速反应进行。并且在多晶硅生产过程中，氢气和三氯氢硅混合气体在还原炉中还原效率比较低，氢气参与反应10±3%，剩余的90±3%以及反应生成的氯硅烷，就需要进行回收处理，以便达到节能降耗，减少环境污染目的。

氢气易燃易爆危险性以及在多晶硅行业中的应用，决定了氢气安全生产重要性。它不仅关系到多晶硅生产成本和产品质量，而且关系到多晶硅整条生产线安全稳定性以及千家万户的幸福。

氧气是易燃物、可燃物燃烧爆炸的基本要素之一，能氧化大多数活性物质。与易燃物(如乙炔、甲烷等)形成有爆炸性的混合物。 

氯气有刺激性气味，能与许多化学品发生爆炸或生成爆炸性物质。几乎对金属和非金属都起腐蚀作用。属高毒类。是一种强烈的刺激性气体。

无水氯化氢无腐蚀性，但遇水时有强腐蚀性。能与一些活性金属粉末发生反应，放出氢气。遇氰化物能产生剧毒的氰化氢气体。

三氯氢硅遇明火强烈燃烧。受高热分解产生有毒的氯化物气体。与氧化剂发生反应，有燃烧危险。极易挥发，在空气中发烟，遇水或水蒸气能产生热和有毒的腐蚀性烟雾。燃烧(分解)产物:氯化氢、氧化硅。

四氯化硅受热或遇水分解放热，放出有毒的腐蚀性烟气。

氢氟酸腐蚀性极强。遇H发泡剂立即燃烧。能与普通金属发生反应，放出氢气而与空气形成爆炸性混合物。有毒，最小致死量（大鼠，腹腔）25mG/kG；有腐蚀性，能强烈地腐蚀金属、玻璃和含硅的物体。如吸入蒸气或接触皮肤能形成较难愈合的溃疡。

硝酸具有强氧化性。与易燃物(如苯)和有机物(如糖、纤维素等)接触会发生剧烈反应，甚至引起燃烧。与硷金属能发生剧烈反应。具有强腐蚀性。

氮气若遇高热，容器内压增大。有开裂和爆炸的危险。

氟化氢腐蚀性极强。若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。

氢氧化钠具有强腐蚀性、强刺激性，可致人体灼伤。

理研计器-气体检测行业专家

氢气等气体易燃易爆，三氯氢硅、四氯化硅和氯化氢等气体易挥发潮解，它们均会在空气或氧气中燃烧甚至爆炸，严重危及企业及生命的事故接连不断；因此在多晶硅行业中氢气生产更需要有高度的责任心，成熟的工艺，精干的技术，完善的制度，确保氢气安全生产。

首先牢固树立安全理念，强化责任心，集中精力，脚踏实地，建立一系列工艺安全保障制度，做到心中有数，临危不乱。

其次，配备必要的检测工具，气体检测仪器是安全稳定生产的保证。准确无误的仪表测试是整个多晶硅系统的安全屏障 工艺中使用的H2或者副产物产生的H2泄漏而引起的爆炸事故，所以需要检测仪器及时检测H2泄漏气体，以防止爆炸；

在反应中会使用到Cl2或HCl气体，容易引起中毒，也应该及时检测Cl2和HCl！

作为专业的气体检测仪器制造厂商，理研计器针对多晶硅的安全生产管理，研发了GD-70D、RM-5000、SC-8000、SP-220、 NC-1000等固定在线与便携式安全检测仪器，有效确保工人的安全和生产设备不被损坏。

作为半导体制造工厂气体的使用者，每一位工作人员都应该在使用前对各种危险气体的安全数据加以了解，并且应该知道如何应对这些气体外泄时的紧急处理程序。

为了防止这些气体在正常状况下之微量泄漏或在特殊紧急状况下的大量泄漏而造成难以弥补的生命财产的损失，必须针对这些危险性气体，在使用、储存时，采取适当的安全对策加以监控，例如装设有害气体泄漏检测系统，就可以将灾害程度降至最低。

气体检测仪在现今半导体工业已成为必备的环境监控仪器，也是最为直接的监测工具。

结语结语

半导体制造业被美国Factory Mutual System(FMS)列为”极高风险”的行业。主要是因为它在制程中要使用到极高毒性，腐蚀性及易燃性气体，气体检测系统一直是半导体芯片厂厂务各系统中最重要环节之一，设计上的优劣会直接影响到整个厂的安全，同时作为使用仪器的工厂安全人员也应该具备气体检测的安全意识。

理研计器拥有600多种气体传感器和100多种气体探测器，未来，我们仍将不断开发新产品、研发各项新功能，使得气体检测仪在应用上更先进、更适合日新月异的市场环境，致力于为用户提供一个最可靠、最准确、最安全的气体检测方案。

选择气体检测仪，不能马虎大意，理研计器80多年气体检测行业经验，一直关注各个行业的气体安全状况，极力解决用户遇到的各种问题，针对不同环境下的气体检测，为用户选配适合原理的检测仪，用成熟的工艺完善气体检测系统。自1939年成立以来，理研计器一直用科学的方法营造气体安全。80多年来一直关注各个行业的气体安全状况，极力解决用户遇到的各种问题，针对不同环境下的气体检测，为用户选配适合原理的检测仪，用成熟的工艺完善气体检测系统。今后，我们将继续在研发上投入了巨大的力量，用高端精湛的技术“为人们缔造安心的工作环境”。

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