晶體生長

我們看到的半導(dǎo)體晶圓是從一塊完整的半導(dǎo)體大晶體切成出來形成的。這些晶體，也被稱為錠，是由大塊的內(nèi)在物質(zhì)生長而成的具有多晶結(jié)構(gòu)的并且未摻雜的材料。將多晶塊轉(zhuǎn)化為單晶結(jié)構(gòu)的大晶體的過程中，必須要保證晶體具有正確的取向和并且要依照的n型或p型的要求進(jìn)行，這個(gè)總體的過程稱為晶體增長。

有三種不同的方法可以用來生長晶體:Czochralski方法(CZ)，液體法和浮動(dòng)區(qū)技術(shù)。

Czochralski方法

大多數(shù)硅晶體是通過CZ法生長的(如下圖所示)。主要的制備設(shè)備由石英(二氧化硅)坩堝組成，由周圍的線圈加熱攜帶射頻(RF)波或通過電加熱器來進(jìn)行加熱。坩堝里面要裝好塊狀多晶的半導(dǎo)體材料和少量的摻雜劑。選擇不同的摻雜材料就可以形成n型或p型晶體。首先，在1415℃下將聚合物和摻雜劑加熱到液態(tài)(如下圖所示)。接下來,一個(gè)種子晶體正好與液體物質(zhì)的表面接觸(稱為晶體，參與這個(gè)融化的過程)。種子是一個(gè)小晶體，具有成品晶體所需的相同晶體方向(如下圖所示)。化學(xué)蒸汽可以產(chǎn)生種子技術(shù)。在實(shí)踐中，它們是先前生長的晶體碎片，可以作為種子使用。

晶體的生長開始于種子慢慢升到熔體之上。表面種子和熔體之間的張力導(dǎo)致熔體的薄膜粘附在去籽，然后冷卻。在冷卻過程中，第一層原子熔化半導(dǎo)體材料將自己定向到晶體結(jié)構(gòu)的種子上。原子連續(xù)的層繼續(xù)復(fù)制種子晶體的方向。凈效果是種子的晶體取向在生長的晶體中傳播。熔體中的摻雜原子融入到生長的晶體中，形成n型或p型晶體。

為了能夠達(dá)到摻雜均勻，晶體完美，并且實(shí)現(xiàn)晶圓的直徑可控，在加熱過程中不斷通過改變壓力來施加影響，加熱速率受到控制，坩堝和坩堝沿相反方向旋轉(zhuǎn)整個(gè)晶體生長過程。過程控制需要復(fù)雜的反饋該系統(tǒng)集成了轉(zhuǎn)速、拉速和熔體等參數(shù)溫度。水晶被拉成三段。首先形成一個(gè)細(xì)脖子，然后是晶體體，末端有鈍尾。CZ方法能夠生產(chǎn)晶體幾英尺長，直徑達(dá)450毫米(18英寸)。一個(gè)450毫米晶圓的重量約800公斤，需要經(jīng)過3天的時(shí)間才能生長。

較重的晶體會(huì)導(dǎo)致小直徑(約4毫米)的種子破裂。一種解決方案是通過一種叫做“頸突”的過程來開始生長。在生長初期，生長增厚的切片。它提供了機(jī)械的支撐較大晶體的強(qiáng)度(見下圖所示)。

Liquid-Encapsulated Czochralski

Liquid-encapsulated czochralski (LEC)晶體生長方法，可以用來種植砷化鎵。這個(gè)過程與標(biāo)準(zhǔn)的CZ過程基本相同，但有一個(gè)重大的修改。這種與一般方法不同的修改點(diǎn)是必需的，因?yàn)樯樵谌垠w中的蒸發(fā)特性和一般材料不同。在晶體生長的溫度下，鎵和砷發(fā)生反應(yīng)，砷會(huì)蒸發(fā)，進(jìn)而產(chǎn)生不均勻的晶體。

有兩種方法可以解決這個(gè)問題。一種是對(duì)晶體生長室加壓，抑制砷的蒸發(fā)。另一個(gè)是LEC過程(如下圖所示)。LEC使用一層三氧化二硼(B2O3)材料漂浮在水面上熔化以抑制砷的蒸發(fā)。在這種方法中，大約1atm的壓力是壓力室內(nèi)要求。

審核編輯：劉清