科技進(jìn)步和對(duì)高效智能產(chǎn)品需求的增長(zhǎng)進(jìn)一步奠定了集成電路產(chǎn)業(yè)在國(guó)家發(fā)展中的核心地位。而半導(dǎo)體硅單晶作為集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基石，其對(duì)促進(jìn)技術(shù)革新和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)起到至關(guān)重要的作用。
國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)公布的數(shù)據(jù)顯示，全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)銷(xiāo)售額達(dá)126億美元，出貨面積增至142億平方英寸，且市場(chǎng)需求仍呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。
然而，當(dāng)前全球硅片產(chǎn)業(yè)高度集中，如下圖所示:
五大供應(yīng)商占據(jù)超過(guò)85%的市場(chǎng)份額。這五家供應(yīng)商分別是日本信越(Shin-Etsu)，日本盛高(SUMCO)，環(huán)球晶圓，德國(guó)Siltronic和韓國(guó)SK Siltron。
這種壟斷態(tài)勢(shì)使得我國(guó)現(xiàn)投入使用的硅單晶嚴(yán)重依賴進(jìn)口，成為制約我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卡脖子問(wèn)題之一。
為了破解當(dāng)前我國(guó)在半導(dǎo)體硅單晶制造領(lǐng)域的困境，投入研發(fā)，全面加強(qiáng)自身發(fā)展是必然選擇。
二、單晶硅材料概述
硅單晶是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石。迄今為止，超過(guò)90%的集成電路芯片和電子器件均以硅單晶作為首選基礎(chǔ)材料。硅單晶材料之所以擁有如此龐大的市場(chǎng)需求和多樣化的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，其原因是多方面：
首先，硅材料本身安全、無(wú)害、環(huán)保，且在地殼中含量極高；
其次，硅單晶天然具有電絕緣性，其在熱處理后表明會(huì)形成防護(hù)性的二氧化硅層，可以有效阻隔電量流失；
最后，硅單晶生長(zhǎng)技術(shù)較為成熟，長(zhǎng)期以來(lái)的技術(shù)積累使得其擁有比其他半導(dǎo)體材料更為嫻熟的生長(zhǎng)工藝。
這些因素共同作用使得硅單晶在行業(yè)中始終處于主導(dǎo)地位，這也是其他材料不可替代的關(guān)鍵因素。
從晶體結(jié)構(gòu)上看，硅單晶是硅原子按照周期性排布構(gòu)成的具有連續(xù)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的材料，也是芯片制造行業(yè)的基礎(chǔ)。
下圖為硅單晶制備全流程示意圖：
首先從硅礦中經(jīng)過(guò)一系列步驟提煉得到生長(zhǎng)硅單晶的材料——多晶硅，然后在單晶爐內(nèi)生長(zhǎng)得到硅單晶棒，再經(jīng)過(guò)切、磨、拋等操作形成可用于芯片制造的硅晶圓片。
硅片按照用途可簡(jiǎn)單分為光伏級(jí)和半導(dǎo)體級(jí)。兩者主要存在著結(jié)構(gòu)、純凈度和表面品質(zhì)上的差異。
半導(dǎo)體硅片純度高達(dá)99.999999999%，且嚴(yán)格要求為單晶，而光伏用硅單晶片純度相對(duì)較低，僅為99.99%至99.9999%之間即可，且并不執(zhí)著于對(duì)晶體品質(zhì)的要求。
與此同時(shí)，半導(dǎo)體硅片在光滑度和清潔度方面的要求也高于光伏級(jí)硅片。半導(dǎo)體硅片的高要求使得制備難度和后續(xù)的應(yīng)用價(jià)值也大幅提升。
下圖給出了半導(dǎo)體硅片規(guī)格的發(fā)展脈絡(luò)，從早期的4英寸(100mm)、6英寸(150mm)逐步增大至現(xiàn)在的8英寸(200mm)、12英寸(300mm)。
在實(shí)際硅單晶制備過(guò)程中受不同應(yīng)用類型和成本的影響，硅片尺寸也有所不同，如存儲(chǔ)芯片多采用12英寸硅片，功率器件則常用8英寸硅片。
總之，硅片尺寸的演進(jìn)是摩爾定律和經(jīng)濟(jì)因素共同作用的結(jié)果。相較而言，硅片尺寸的增大會(huì)使得相同工藝條件下可以生長(zhǎng)出更多可用于芯片制造的可用面積，降低生產(chǎn)成本的同時(shí)有效降低硅片邊緣材料的浪費(fèi)。
半導(dǎo)體硅片作為現(xiàn)代科技發(fā)展不可或缺的關(guān)鍵材料，通過(guò)后續(xù)一系列精密工藝如光刻與離子注入，賦予了其生產(chǎn)各類電子器件的能力，包括大功率整流器、晶體管、三極管以及開(kāi)關(guān)器件等。
這些器件在多個(gè)領(lǐng)域如人工智能、5G通信、汽車(chē)電子、物聯(lián)網(wǎng)及航空航天扮演著至關(guān)重要的角色，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科技創(chuàng)新的基石。
三、單晶硅的生長(zhǎng)技術(shù)
提拉法是一種高效的從熔體中提拉生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶材料的工藝技術(shù)方法，由揚(yáng)·柴可拉斯基(J. Czochralski)在1917年提出，該方法也被行業(yè)稱為CZ法或晶體直拉法。
目前，CZ法已被廣泛應(yīng)用于各類半導(dǎo)體材料制備過(guò)程中。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，約98%的電子元器件采用硅單晶材料制造，其中85%使用的是CZ法制備的硅單晶材料。
CZ法制備硅單晶材料之所以備受青睞，是因?yàn)槠渚哂谐錾木w品質(zhì)、可控的尺寸、快速的生長(zhǎng)速度和高效的生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)。
這些特性使得CZ硅單晶成為滿足電子工業(yè)對(duì)高品質(zhì)、大規(guī)模硅單晶材料需求的首選材料。
CZ法的制備原理見(jiàn)下圖：
CZ法生長(zhǎng)硅單晶要求在高溫、真空且封閉的條件下進(jìn)行，而CZ型單晶爐(以下稱單晶爐)設(shè)備則是實(shí)現(xiàn)這一條件的核心技術(shù)裝備。
下圖是單晶爐的設(shè)備構(gòu)造示意圖。
CZ硅單晶的生長(zhǎng)步驟是先將純凈的硅原料置于坩堝內(nèi)熔化，繼而在熔融態(tài)的硅表面置入一顆籽晶。通過(guò)精確控制溫度、拉升籽晶速率和坩堝旋轉(zhuǎn)速度等關(guān)鍵參數(shù)，籽晶與熔體接觸 的界面上原子或分子會(huì)持續(xù)重組，伴隨著系統(tǒng)的冷卻逐步固化，最終形成單晶體。
因此，這種晶體生長(zhǎng)技術(shù)能夠生產(chǎn)出高質(zhì)量、大直徑且具有特定晶體取向的硅單晶材料。
CZ硅單晶生長(zhǎng)工藝流程如下圖所示：
具體步驟為：
(1)拆爐及裝料：取出晶體，徹底清理爐膛和各組件上的附著物，如石英顆粒、石墨顆粒和石墨氈塵等雜質(zhì)。如果長(zhǎng)期未使用，需關(guān)閉爐子并進(jìn)行氣密性檢查。清理完成后，重新裝回各組件。
(2)裝爐：在確認(rèn)組裝無(wú)誤后，將石英坩堝放入爐中，添加摻雜劑(按要求準(zhǔn)確添加)，然后放入硅料。在副室內(nèi)安裝籽晶。確認(rèn)無(wú)誤后，合爐，整理、清掃裝料現(xiàn)場(chǎng)。
(3)抽真空和熔化：先進(jìn)行1-2次氣體清掃，然后抽真空(小于10mTorr)，接著充入Ar氣體(流量為50-120L/min)，使?fàn)t內(nèi)壓力約為20Torr，并保持氣氛流動(dòng)。同時(shí)啟動(dòng)冷卻水系統(tǒng)(壓力為0.2-0.4MPa)。在加熱前，進(jìn)行密封性檢查，確認(rèn)無(wú)異常后，以45-60V電壓和1500-2500A電流加熱熔料，并持續(xù)觀察整個(gè)過(guò)程。
(4)引晶：將籽晶緩慢降至主室，預(yù)熱3-5分鐘，緩慢接近硅熔體界面。為了確保熔體液面平靜，不能出現(xiàn)水波紋。如果發(fā)現(xiàn)有水波紋可能是由振動(dòng)引起的，需要排除振動(dòng)源；另一種可能是溫度過(guò)高導(dǎo)致大量的SiO揮發(fā)物生成，然后在冷卻后滴回坩堝內(nèi)。
在確認(rèn)問(wèn)題已解決后，需要控制使溫度穩(wěn)定，并將籽晶緩慢降低到與熔體液面接觸的位置。為了準(zhǔn)確判別引晶溫度是否合適，需要觀察以下三種情況：
1) 溫度過(guò)高，界面會(huì)出現(xiàn)亮且寬的光圈，并帶有尖角，光圈會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，甚至熔斷，這時(shí)無(wú)法提高拉速縮頸。
2)溫度過(guò)低，界面不會(huì)出現(xiàn)光圈，籽晶未能熔接，反而出現(xiàn)結(jié)晶向外長(zhǎng)大的假象。
3)溫度合適，界面會(huì)慢慢出現(xiàn)柔和圓潤(rùn)的光圈，沒(méi)有尖角，此時(shí)可以進(jìn)行縮頸操作。晶體既不會(huì)因?yàn)榭s小而熔斷，也不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大。在進(jìn)行熔接后，稍微降低溫度，開(kāi)始縮頸操作，以消除位錯(cuò)并獲得無(wú)位錯(cuò)晶核。
(5)放肩階段：拉速度為0.5mm/min，放肩角度為140°-160°。需要注意的是，在此過(guò)程中需適當(dāng)降低溫度。如果引晶時(shí)拉速較快，難以縮頸，說(shuō)明熔體溫度偏低，可以稍微減少降溫幅度；反之，若引晶速度較快且容易縮細(xì)，說(shuō)明熔體溫度較高，可以適當(dāng)增加降溫幅度。
(6) 轉(zhuǎn)肩及等徑階段：在放肩階段，拉速較快，需要監(jiān)控直徑變化。當(dāng)接近目標(biāo)直徑時(shí)，將拉速提高至3-4mm/min，進(jìn)入轉(zhuǎn)肩階段。在轉(zhuǎn)肩過(guò)程中，原本位于肩部后方的光圈會(huì)迅速向前方擴(kuò)散，并最終閉合。為了避免直徑在轉(zhuǎn)肩時(shí)縮小，預(yù)先適當(dāng)降低溫度。 在轉(zhuǎn)肩過(guò)程中，晶體繼續(xù)生長(zhǎng)，但速度逐漸變慢，最后停止生長(zhǎng)，完成轉(zhuǎn)肩。此時(shí)將拉速降至設(shè)定速度，并按比例調(diào)整堝升速度，進(jìn)入自動(dòng)控徑狀態(tài)，等待晶體繼續(xù)生長(zhǎng)。
(7) 收尾和停爐：當(dāng)晶體生長(zhǎng)到尾部，余料較少時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行收尾操作。將計(jì)算機(jī)切換至手動(dòng)模式。提高堝升速度，利用溫度控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加熱，以保持液面不結(jié)晶。
在收尾過(guò)程中，有兩種方式可選擇：慢收和快收。
慢收的優(yōu)點(diǎn)是易于控制，不容易斷棱線，但時(shí)間較長(zhǎng)；而快收的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間短，但控制難度較大且容易斷棱線。
不論選擇快收還是慢收，都需要進(jìn)行收尖操作，以防止位錯(cuò)攀移到等徑部位。如果直接將晶體提高離開(kāi)液面而不進(jìn)行收尾，由于熱應(yīng)力的作用，會(huì)產(chǎn)生大量位錯(cuò)并沿著滑移面攀爬。
如果位錯(cuò)進(jìn)入等徑部位并被切除，這會(huì)造成不可忽視的損失，尤其對(duì)于大直徑單晶。因 此，必須收尾成尖形，以確保無(wú)位錯(cuò)生長(zhǎng)到結(jié)束。當(dāng)尖形脫離液面時(shí)，產(chǎn)生的位錯(cuò)攀爬長(zhǎng)度將無(wú)法達(dá)到等徑部位。 收尾完成后，將晶體提高，降低坩堝位置，停止升溫和晶轉(zhuǎn)。
因此，穩(wěn)定控制溫度與提拉速度對(duì)于生產(chǎn)高品質(zhì)、無(wú)瑕疵的晶體至關(guān)重要。其他影響品質(zhì)的工藝參數(shù)還涉及加熱器功率、晶體和坩堝的旋轉(zhuǎn)速度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、保護(hù)氣體(如氬氣)流量等。這些參數(shù)的優(yōu)化組合是實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、低或無(wú)缺陷晶體的基礎(chǔ)。
四、單晶硅的難點(diǎn)
鑒于此，突破大尺寸半導(dǎo)體硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程中的核心工藝技術(shù)瓶頸，尤其是需要解決晶體生長(zhǎng)環(huán)節(jié)中所面臨的晶體缺陷預(yù)測(cè)與控制問(wèn)題：
(1)硅單晶品質(zhì)一致性差、產(chǎn)出良率較低：隨著硅單晶尺寸的增加，晶體生長(zhǎng)環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，熱場(chǎng)、流場(chǎng)、磁場(chǎng)的耦合作用加強(qiáng)，晶體品質(zhì)控制難度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這與行業(yè)對(duì)于硅片品質(zhì)的高要求是相悖的。
因此，如何對(duì)晶體生長(zhǎng)品質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制成為了關(guān)鍵難題。然而，硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程的復(fù)雜性和不確定性因素使得精準(zhǔn)系統(tǒng)模型的建立幾乎不可實(shí)現(xiàn)。
此外，由于晶體生長(zhǎng)設(shè)備物理結(jié)構(gòu)的約束，使得直接在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中進(jìn)行品質(zhì)檢測(cè)難以實(shí)現(xiàn)，而離線檢測(cè)又存在著檢測(cè)周期長(zhǎng)，人力、物力耗費(fèi)大的問(wèn)題。
因此，迫切需要發(fā)展晶體生長(zhǎng)品質(zhì)檢測(cè)理論與方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體生長(zhǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線預(yù)測(cè) 并指導(dǎo)工藝調(diào)整，以減少晶體缺陷產(chǎn)生的可能性，提升硅單晶品質(zhì)的管控能力。
(2)控制過(guò)程不穩(wěn)定、精度和效率欠佳：半導(dǎo)體硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程高度復(fù)雜，具有多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合、強(qiáng)非線性等顯著特征，且復(fù)雜的工藝參數(shù)調(diào)整機(jī)制和控制流程使得現(xiàn)有的控制系統(tǒng)易出現(xiàn)控制精度不穩(wěn)定，并由此導(dǎo)致產(chǎn)品良率較低。
與此同時(shí)，現(xiàn)行的控制策略主要以晶體宏觀尺寸作為直接控制目標(biāo)，而晶體品質(zhì)仍依賴人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，因而這些客觀和主觀因素使得生長(zhǎng)的大尺寸硅單晶品質(zhì)難以滿足集成電路芯片微細(xì)納米制程的要求。
因此，如何實(shí)現(xiàn)晶體宏觀尺寸精準(zhǔn)控制的同時(shí)保證晶體質(zhì)量滿足行業(yè)要求成為了當(dāng)前亟待解決的重要控制難題。
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