从单晶硅棒到晶圆在线视频

好 那么下个问题我们就看

这一节讲

从单晶硅棒到晶圆

我们看看它是怎么

从单晶硅棒到晶圆的

先讲硅棒切分成若干个硅坯

注意单晶棒拿出来以后

要去头去尾剥皮

注意 去头去尾剥皮

最后要切割成一个一个的硅圆片

切割

那么为什么要掐头去尾剥皮

因为头尾两边杂质比较多

位错密度比较高

我们看拉出单晶来以后

中间是光滑的

两头的话麻点比较多

我们知道麻点比较多

就是位错密度比较高了

因为我们有学过

材料科学基础的知道

位错密度是什么

是单位体积当中

位错线的总长度

但是我们衡量它

是按照单位面积上

位错的露头数

两边的麻点比较多

就是单位面积上的露头数

位错露头数多

就位错密度比较高

中间像吃鱼一样

不要头不要尾

光要红烧中段

把它切成硅圆片叫切割片

抛光叫抛光片

外延叫外延片

如果再做其他处理

得到SOI片

好 那么切完了以后

硅

硅坯外延进行研磨

研磨 研磨完了以后又去掉

当然预量得留出来了

最后的话它外缘是200毫米的

或者300毫米的

200毫米就是8英寸的

300毫米就是12英寸的

注意 硅圆片

我们就是在晶坯的时候

在硅坯的时候

我们要做标志

一种标志的话是小平面积标志

一种标志的话沟槽

V型沟槽标志

那么取向标志的作用

是什么

就是当硅圆片

在装置内处理时

根据取向标志排列

可保证硅圆片间处理的均匀性

也就是说不同硅圆片之间

它的大家伙都是取向一样的嘛

它要保证它处理的均匀性

并且适应IC制造工程中

硅圆片在装置内装卸的需要

过去日本采用OF方式

切成小的拉一个小的

小平面

美国采用V字型缺口方式

V字型缺口

目前有向缺口方式统一的趋势

就是说你先在硅坯上

搞出个小平面来

或者搞出个V型缺口来

然后切 切完了以后的话

每一个硅圆片上

肯定是什么

都有缺这一小块

是有个缺口

按照这个来定位

我往设备里装的时候

或者是我做处理的时候

都以标志做参照

这样的话就是说

均匀性也好

然后工艺也可以适应

这个工艺

一般都采取这种

采取这种方式

我们在细讲一下

将硅坯切割成一片一片的硅圆片

对 将硅坯切割成一片一片的

硅圆片

无论对单晶硅

大规模集成电路用的

单晶硅棒

还是太阳能用的单晶硅棒

以及太阳电池所用的

多晶硅的铸块都要把它切割

切割成一片一片的

才能做下边的处理

我们刚才讲的是个外圆的切刀

这个的话是内圆的切刀

注意这是内圆的切刀

刀刃在这个地方

那么这个的话是采用线刀

什么叫线刀

就是用钢筋丝

一个一个钢

这是示意图这是示意图

钢筋丝你看

钢筋丝的话

在这排排排排成一个

当然有设备保证它了

然后的话使外力

使钢筋丝的话

在这上面运动

这一运动起来的话

整个钢筋丝

它都运动起来

运动的过程当中

随着钢筋丝的运动

使硅坯的话

逐渐的一次就切割完

一次就切割完

注意

钢筋丝切割硅坯的时候

并不是使钢丝

直接切割它

是钢丝在运动过程当中

这里边的话要放上一些

金刚石的颗粒

或者是什么

金刚砂的颗粒

金刚砂我们知道

是碳化硅了

一定力度的碳化硅

放在这个地方组成浆料

像切割的时候

那个切削液一样

随着进行的话

利用钢丝来拉动

金刚石 砂

或者是金刚砂

使硬度的砂砾逐渐的磨

把什么

把硅圆片

把硅坯把硅棒

变成晶圆变成硅圆片

我们看看它是一个过渡的过程

早期它的我们知道

单晶硅棒

最早期是50的 是两英寸的

后来变成4英寸的6英寸的

8英寸的12英寸的

逐渐的直径变大

早期的时候

比方说2英寸4英寸的

一般用的我们上一个图

指的那种叫做外圆切刀

到8英寸以后

逐渐的过度到内圆切刀

那么到12英寸

逐渐的过度到线刀

那么这里边有什么区别

注意 内圆用刀

切割的时候

它的金刚砂的颗粒比较细

0.1个毫米左右 很细

但是刀片的厚度

是0.4个毫米左右

0.4个毫米就是400个

400个微米

400个微米

那么就是说切缝很大

切缝很大

另外硬力的话也不好调整

硬力也不好调整

内圆切刀的

张力的均匀性

不太好解决

对于大口径300毫米以上的硅坯

内圆刀片对于材料的制作

都比较什么

都比较困难

我们看线刀

线刀首先

它钢筋丝就很细

0.2个毫米

那么金刚石粒径

大约是0.1个毫米

充其量是300个微米左右

注意的话就是500个微米了

切缝500个微米了

这个到个三百个微米

效率也比较高

对于8英寸的话可以

可以一个硅棒是6个小时

就是效率也比较高

切缝比较小

那么从以上的对比可以看出

那个线刀的特点

就是切缝小 切片速度快

从而总体价格较低

但是钢筋丝

研磨的运行起来的比较困难

适合于大口径的

小切缝的这种

现在到12英寸

绝大部分用的都是线切割刀

注意我们从图可以看到

好不容易从硅石经还原到金属硅

改性西门子法生产了多晶硅

多晶硅完了又拉了单晶硅棒

单晶硅棒还要剥皮还要掐头去尾

还要剥皮

最后的话

你们看看在一切割的过程当中

我们硅圆片当然用的不是很厚了

越来越薄 越来越薄

到多少 甚至到一百微米

或者甚至是到几十个微米

用的比较薄 越来越薄

但是切缝很大

切缝到多少

到几百个微米

那么太阳能电池

用太阳能电池来讲

它的厚度到200个微米

到200个微米

早期是三百个微米

后来到二百个微米

但是切缝可以到五百个微米

和四百个微米

就是好不容易拉出来的单晶硅

都变成切缝了

大部分都变成切缝了

变成切缝以后就是渣子

渣子就没有用了

对吧 渣子就没有用了

所以曾经有一段时间

就采取什么

我能不能不拉单晶硅

我直接出来的单晶

我就是硅片

我直接出来的片就是一个

很薄的一个 片子

单晶片子

我不要切割这一步了

既省了工序又省了原料

这不是很好吗

但是实现起来是很难的

目前的采取的典型的工艺

都是改性西门子法生产多晶硅

多晶硅完了以后拉单晶

拉出单晶来得到硅棒

硅棒完了再切片

切片完了以后再抛光等等

这道工序

那么我们一提到半导体

上次我们也讲了

半导体有叫做

元素半导体

元素半导体有哪些

有硅锗硒碲

硒这是元素半导体

还有是化合物半导体

还有亚化合物半导体

那么半导体来讲

是材料的

它既然是半导体

它有个特点你看是什么

要么是四价的

四族的 四四族的

三五族的二六族的

注意四族的四四族的

三五族的二六族的

还有多元的化合物半导体

有一二四六族的

一二四六族等等这些

我们看这里边就是说

从这张图就是指出来

它是什么叫绝缘体

什么叫半导体什么叫导体

一般来讲

是按电阻率来分的

电阻率来分的

绝缘体就是说

十的八次方欧姆厘米

那么对金属来讲

是十的负六次方

十的负八次方什么

是欧姆厘米

那么半导体处在

十的七次方

到十的负六次方

它分布在什么

十三个数量级

这十三个数量级都是什么

都是属于半导体 注意

我们电阻率的单位

一定是欧姆厘米

尽管说数据

欧姆厘米欧姆厘米

好像很清楚

但是你叫起同学来一问

让他黑板上一写

他不见得就知道

这个是个欧姆厘米

他为什么电阻

电阻率的单位是欧姆乘厘米

不是除厘米

注意 为什么是欧姆乘厘米

注意什么叫电阻

电阻等于电阻率再乘上

跟谁成正比

跟L成正比跟面积成反比

跟面积成反比

因此它前边有一个电阻率

再一称电阻率

得到的结果的话就是欧姆厘米

欧姆厘米的话

我们典型的比方说是铜

银 铜 铝 金

这些典型的电阻率的话

我们应该了解一下

了解一下

比方说铜

它大概是多少

它大概是二倍的微欧厘米

微欧厘米

注意是二微欧厘米

微欧厘米正好是

十的负八次方欧姆米

大概是二

一般金属比方说铝

银 金 铜这些

那铝就略微高一点

它是几个微欧厘米的样子

大概有这么个基本概念

电阻率的单位是什么

绝缘体的这电阻率是多少

导体电阻率是多少

半导体分布在

什么数量级当中

这是什么叫做绝缘体

什么叫半导体

什么叫做导体

那么这里边的话

又有元素的半导体

又有化合物的半导体

又有氧化物的半导体

我刚才又说半导体

又有四族的 四四族的

三五族的二六族的

一二四六族的等等

好 那么这里边还有一个

叫做什么叫做本征半导体

什么叫做掺杂半导体

本征半导体

就是几乎完全不含杂质的

仅由纯正的元素所形成的

半导体

这种半导体应该讲

在我们电子材料当中

是没什么用处的

我们实际上所用的都是什么

掺杂半导体

在本征半导体当中

微量掺杂某些元素

形成的半导体

由于杂质添加而显示出

与半导体完全不同的各种特性

因此叫做掺杂半导体

掺杂半导体

那么掺杂半导体的话

有n型掺杂有p型掺杂

这是不论是对化合物半导体也好

对 元素半导体

都要进行掺杂

掺杂无非就是n型掺杂p型掺杂

注意 元素半导体

跟化合物半导体相比

它有什么优点有什么缺点

就是同样是元素半导体

它这几个材料当中

有什么优点有什么缺点

随着我们后边的讲课要明白

我们可以看到

在半导体材料当中

到目前为止

用的最多的90%以上的

都是硅材料

都是硅半导体材料

尽管都是元素半导体

在硅锗硒等等这些元素当中

用的最多的是硅

为什么不用锗

后边我们还可以看到

那么化合物半导体

它有优点

它为什么化合物半导体

已经搞了很多年

为什么化合物半导体

在大规模集成电路

推广不起来

还是硅材料

后边我们还可以讲到

那么这里边给了一个

对下面的一二三做比较

一二三做比较

这是一二三做比较

从材料制作方便性

实现大单晶

价格便宜等角度看

一大于二大于三

但从电子迁移率的角度看

二和三占优势

也就是说二和三

在电子迁移率上占优势

在什么

在实现大单晶

价格便宜等角度是它占优势

它占优势

我们随便举例子来讲

你比方说硅

半导体材料来讲

它有很多很多优秀的性质

首先

它很容易实现p型掺杂

很容易实现n型掺杂

掺五族的就实现了n型

掺三族的就实现了p型

实现p n型很容易

那么硅材料

经过氧化以后得到氧化硅

作为绝缘膜

几个纳米就可以起到

非常好的作用

那么锗就不如硅好

那么对于化合物半导体

来讲的话

你要做n型掺杂比较容易

要做p型掺杂就比较难

拉单晶也比较难

因此的话所以硅半导体

是目前大规模集成电路当中

90%以上的用的还都是硅材料

我们从这张表当中也可以看到

主要半导体的物性质

主要半导体的物性质

这里边举了什么

主要是碳 硅 锗 砷化镓

磷化铟 这是早年的

当然现在半导体材料

已经很多了

像氮化镓就是嘛

氮化镓铟 氮化镓铝

特别是氮化镓

氮化镓铟

在LED当中用的很多了

我们现在先用

大规模集成电路里边

有可能用的

这些半导体材料

那么大家

注意 碳它的结构是金刚石

碳也是一个半导体材料

注意 碳也是

只不过它的什么

它的禁带宽度很宽而已

它多少 是5.6电子伏

硅是1.11 锗是0.67

那个砷化镓是1.4电子伏

磷化铟是1.29电子伏

它们的熔点

注意 你们可以看到

硅 它的熔点1412度

它的禁带宽度是1.11

它的电子迁移率是

1300伏秒分之厘米平方

厘米平方比上伏秒

它的空穴迁移率

它的热导率 它的

那么硅半导体好多数据

尽管有些数据不是很好

特别是迁移率上不是很好

但是它的禁带宽度

它的熔点它的其他性能

是比其他材料更占优越性

更占优越性

因此大规模集成电路当中

用的比较多

如果将来你需要

在温度很高的情况下

做半导体

比方说是上千度左右

你除了金刚石

没别的用

金刚石的话

也可以作为一个半导体材料

那么这张我们知道

刚才讲了做半导体材料

就必须得做成pn结

做成pn结

那pn结就是有p

有p型有n型的

本征半导体它是实际上

在集成电路当中

用途不是很大的

我们用到的就是掺杂的半导体

都是掺杂的

经过掺杂的半导体

我们对于硅来讲

对于锗来讲 甚至碳来讲

我们要包括化合物半导体

都要进行掺杂

怎么掺杂

掺杂的目的是形成n型的

和形成p型的

n型的p型的结合到一块

就形成pn结

实际上对于

大规模集成电路当中

用到二极管也好

三极管也好

好多都得用到pn结

都得用到pn结

现在我们就看看

半导体当中

pn结当中

它的杂质的能级

是个什么样子

它在pn结当中

会形成所谓的耗尽层

耗尽层会形成一个

反向的电场

注意 耗尽层里边

形成一个反向的电场

反向的电场

是我们研究半导体

理解半导体

应用半导体当中

最为关键的一件事情

是最为关键的一件事情

注意 反向电场

是怎么形成的

注意 我们看到

反向电场

是怎么形成的

为什么说形成反向电场

耗尽层

是半导体器件

无论是二极管也好

无论是三极管也好

还是各种类型的器件也好

形成耗尽层

形成反向电场

是半导体应用当中的

最关键最需要认真理解的

一件事

那下边的话

我就要讲一下

这件事情

这件事情我们知道

对于硅来讲

要实行n型半导体

往里掺杂什么

掺杂五族的

掺杂磷 砷等等

如果要实现p型的话

要三族的

三族是什么

三族 主要是硼

掺硼实现p型的

掺磷掺砷实现n型的

那么这部分的话

就是n型的半导体

这部分就是p型的半导体

注意n型的半导体

和p型的半导体

结合到一块

就形成所谓的pn结

pn结

那么注意在n型半导体当中

注意它总的来讲

它是电荷平衡的

总的来讲它是电荷平衡的

那么这里边是什么

由于它磷

或者是砷它外边有几个电子

它外边有五个电子

那么硼掺三族的话

它外边有几个电子

外边有三个电子

外边有三个电子

那么你当你掺杂的

磷或者砷要介入到

人家单晶硅那个晶格里边去以后

注意

必须要介入到人家晶格

晶格里边去

晶格里边去以后

晶格去里边以后

那么它要实现八电子

外边是八电子的结构

那么这边是五个

那么这边是四个

它就会多了一个

是不多了一个

这多了一个的话

它会以自由电子的形式

跑到晶格里面来

它如果以电子

自由电子的形式

跑到晶格里来以后

在阵点上

注意在阵点上

那个磷它就会带来什么

带来正电荷

注意磷原子

它就会带正电荷

注意一定要弄清楚了

磷的话一定要

介入到那个硅的那个晶格里边去

晶格里边去的话

它要求是八电子的结构

八电子外围是八电子

它八电子的话

它有五个它有四个

这九了

九它这一个电子必须得出来

出来以后的话

它以自由电子的形式

在这边运动

那么里边的话

磷它就怎么样

它变成磷

注意它原子的话

它就带正电荷

外边有一个电子是负电荷

它带正电荷

总体上它是电中性的

但是

它有一个什么

可以传导的

可以进行电荷传导的

一个电子

注意多了一个电子

我们再看看硼

注意硼它最外层

是三个电子

硼原子也要

介入到单晶硅里面

那个晶格里面去

晶格的话

它三个电子

它是四个电子

七了 它怎么办

它必须怎么样

它就会产生一个空穴

它产生一个空穴

一产生空穴以后

外边还是八电子结构

八电子结构

注意的话

它一产生空穴

它这里边就有了什么

它就带负电了

它就是什么

有一个空穴了

这边的话是它是

有一个电子了

那么这两个结合到一块

但你不结合到一块的话

反正是它 它这里边有

有电子了

这里边有什么

有一个原子室了

这边是有空穴了

它整个是电中性的

整个是电中性的

但是这两个结合到一块以后

注意

这边的话它的电子是过剩的

这边的话是空穴是过剩的

它结合到一块去以后的话

注意 我们知道

当形成pn结以后

载流子的话

它有两种运动的方式

第一种运动的方式叫做扩散

扩散 扩散的驱动力是浓度

这边电子浓度要高

电子的话就会往这边跑

这边空穴的浓度高

空穴就会往这边跑

这是第一个叫做什么

叫做扩散

第二个的话叫做漂移

漂移是电场作用之下

电场作用之下

在电场作用之下的话

空穴

电子的话

它要从低电位的话

高电位的地方去

空穴正好相反

注意在不接外电路的时候

不接外 为了简单起见

我们考虑不接外电路的时候

它主要是什么

主要是个扩散运动

先不考虑漂移运动

它主要是个扩散运动

扩散运动的结果

注意

这里边的电子

这一部分的电子

它就会扩散到这边来

这部分电子

它就会扩散到这边来

这边的空穴的话

就扩散到这边来

这边的电子如果扩散过去以后

在局部的位置的话

就会形成离化的施主

那么这边的话就会

形成离化的受主

那么当你pn结两端

在很短的距离之内

出现了离化的施主

或者是离化的受主之后

那么就会形成什么

形成所谓的耗尽层

形成所谓的耗尽层

在耗尽层当中

我们就会有了电场

电场是从哪指向哪的

是从n型层指向p型层的

那么我们也可以

从能带的角度

来讨论问题

无论是p型半导体

和n型半导体

它的掺杂以前

它的费米能级

在禁带的中间

在禁带的中间

那么经过掺杂以后

对于p型半导体的费米能级

它要靠近什么

它要靠近价带

对于n型半导体

它的费米能级

它靠近导带

那么经过形成pn结以后

费米能级

要排在一条线上

它排在一条线上的话

它的你看它要排在一条线上以后

因为它原来

我再说一遍

它对于掺杂以前

它的费米能级

在导带和价带的中间

它也在导带价带的中间

但是你经过p型一掺杂

它要靠近价带

它n型半导体

它要靠近导带

那么它形成pn结以后

这就会产生什么

它的费米能级

要在一条线上要保持平衡

这都是 理论上所讲的

要保持平衡

这样做的结果

形成pn结以后

它的价带和它的价带

就不在同一个水平线上

它的导带也不在同一个水平线上

不在同一个水平线上

我们知道电场的强度

是电位的微分

电场强度是电位的微分

那么在耗尽层里边

就会形成一个电场

电场是从n指向p型

从n型半导体指向p型半导体

我们怎么理解这件事

可以这样理解

不是刚才讲了嘛

这里边它是有了离化的施主

这里边的话有离化的受主

我们看看如果这边来的正电荷

这边如果有正电荷过来

这边有正电荷过来

那么它会收到什么

会受到这个的排斥作用

这边要出来电子过来的话

这边要受到受主的排斥作用

那么意思是说反向电场

跟p型半导体

和n型半导体的正好那是相反的

反向电场是从n指向p的

是从n指向p的

我们再可以形象的这么说

对于太阳能电池当中

必须得形成 pn结

pn结的话就是这种结构

如果外边光一照

外边光一照

当你一定波长的光一照

可以把这里边的原子的话

变成一个电子一个空穴

变成一个电子一个空穴

由于有内建电场的作用

会把什么

空穴 由内建电场的作用

把它排斥到这边来

把电子的话

排斥到这边去

那么如果外边电路是开的

就是形成什么

开路电压

如果什么

外边的是个短路

就会形成短路电流

开路电压短路电流

它是这个方向走的

这边的电位高

这边的电位低

为什么这边电位高这边电位低

主要是有pn结的作用

有pn结的作用

它会形成一个反向的电场

注意形成一个反向的电场

pn结

形成反向电场

这件事可以从我们刚才

从扩散漂移的角度

也可以从能带的角度

总而言之它对于理解

半导体器件

理解太阳能电池

理解发光二极管

等等这些半导体器件

是最为关键最为关键的

希望同学们好好理解这件事情