半導(dǎo)體工藝設(shè)備為半導(dǎo)體大規(guī)模制造提供制造基礎(chǔ)。摩爾定律，給電子業(yè)描繪的前景,，必將是未來半導(dǎo)體器件的集成化,、微型化程度更高,，功能更強(qiáng)大,。這里先介紹半導(dǎo)體工藝的頭道工序——單晶體拉胚的單晶爐。
單晶爐 單晶爐,，全自動(dòng)直拉單晶生長(zhǎng)爐,，是一種在惰性氣體（氮?dú)狻⒑鉃橹鳎┉h(huán)境中,，用石墨加熱器將多晶硅等多晶材料熔化,，用直拉法生長(zhǎng)無(wú)錯(cuò)位單晶的設(shè)備,。 單晶硅爐型號(hào)有兩種命名方式,，一種為投料量,，一種為爐室直徑,。比如 120,、150 等型號(hào)是由投料量決定,， 85 爐則是指主爐筒的直徑大小,。 單晶硅爐的主體構(gòu)成由主機(jī),、加熱電源和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)三大部分組成。 單晶硅片工藝流程 硅,，Si,，地球上含硅的東西很多，好像90%以上都是晶硅的,，也就是單晶硅,。太陽(yáng)能級(jí)別的硅純度6N以上就可以了,。 開始是石頭,，（石頭都含硅），把石頭加熱,，變成液態(tài),，再加熱變成氣態(tài)，把氣體通過一個(gè)密封的大箱子,，箱子里有N多的子晶加熱,，兩頭用石墨夾住，氣體通過這個(gè)箱子,，子晶會(huì)把氣體中的一種吸符到子晶上,，子晶慢慢就變粗了,，因?yàn)槭菤怏w變固體,，所以很慢，一個(gè)月左右,，箱子里有就了很多長(zhǎng)長(zhǎng)的原生多晶硅,。 單晶硅片由此進(jìn)入生產(chǎn)流程： 1、酸洗：使用稀硝酸HNO3,進(jìn)行清洗,，去除表面雜質(zhì)及提煉時(shí)產(chǎn)生的四氯化硅,。 2,、清洗：清洗硅料經(jīng)過酸洗后的殘留雜質(zhì),。 3,、單晶硅料烘干：去除水分。 4,、挑料：區(qū)分P型,，N型硅料。 5,、配料：對(duì)拉晶的硅料型號(hào)進(jìn)行匹配。 6,、單晶爐拉晶： 7,、硅棒檢測(cè)：檢查有無(wú)位錯(cuò),，棱線斷等現(xiàn)象。 8,、開斷：將單晶硅棒用帶鋸條切割成四方體,。 9,、包裝：將開斷后的單晶硅棒進(jìn)行包裝,，送至下一道工序 10,、磨圓：將單晶硅棒四個(gè)直角進(jìn)行磨圓。 11,、多線切割：瑞士的264,，265。日本的PV800,MDM442DM設(shè)備進(jìn)行切割 0.33mm,。 12,、清洗： 13,、單晶硅片檢測(cè)： 單晶爐的結(jié)構(gòu) 單晶爐爐體（包括爐底板,、主爐室、爐蓋,、隔離閥室、副爐室,、籽晶提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和坩堝提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）由304L不銹鋼制造,。所有腔體都經(jīng)過缺陷爐室檢查和探傷檢驗(yàn)，并且經(jīng)過0.6MPa水壓試驗(yàn)和氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏,。 一,、主爐體構(gòu)造 1,、基座與爐底板 爐底板設(shè)計(jì)成平板式,，具有雙層結(jié)構(gòu)，通水冷卻,。四只電極穿過底板，在坩堝提升機(jī)構(gòu)的波紋管連接處有一個(gè)水冷卻法蘭區(qū),。 2,、主、下爐室 主,、下爐室為雙層筒狀結(jié)構(gòu),，兩端為法蘭結(jié)構(gòu)，通水冷卻,，并有隔水條保證冷卻均勻,。主爐室設(shè)置了一個(gè)測(cè)溫計(jì)窗口，用于測(cè)量加熱器溫度,。下爐室有抽真空和真空計(jì)接口（0～100Torr和0～1Torr）,。下爐室在正常操作過程中始終用壓板固定在爐底板上,，通過氟橡膠O型圈實(shí)現(xiàn)真空密封,。 3、爐蓋 爐蓋為爐體和隔離閥座提供了一個(gè)過渡區(qū),。爐蓋采用標(biāo)準(zhǔn)爐蓋制造,，雙層通水冷卻。在爐蓋上設(shè)有一個(gè)操作者觀察窗口（類橢圓形）和一個(gè)直徑控制窗口（圓形）,。操作者觀察窗口允許單晶直徑測(cè)量范圍最大至10”,，氬氣入口設(shè)置在爐蓋的喉部。 4,、隔離閥座 隔離閥座為雙層水冷卻結(jié)構(gòu),，前圓后方，正前方設(shè)有一道圓門,，可以通過圓門方便拆卸和更換籽晶夾頭。圓門中心設(shè)有圓形觀察窗,。隔離閥座為隔離閥提供了安裝及活動(dòng)空間,，隔離閥的作用是為籽晶或單晶提供進(jìn)入副爐室的通道,，同時(shí)可以維持上下爐室的局部壓力和溫度。隔離閥是翻板閥結(jié)構(gòu),，閥板和閥體均是固定式雙層結(jié)構(gòu),，通水冷卻。隔離閥座側(cè)面設(shè)有兩個(gè)籽晶位置檢測(cè)窗口（激光定位）,，后部有一個(gè)氬氣入口,，可以實(shí)現(xiàn)快充氬氣。 5,、副爐室 副爐室為圓筒形腔體,，雙層結(jié)構(gòu)，水冷卻,。副爐室上部前方設(shè)有一個(gè)圓形法蘭,，可以打開用于清理腔體上部，法蘭中心設(shè)有圓形觀察窗,。副爐室上部是水平調(diào)整機(jī)構(gòu)（見附件12）,，設(shè)有一個(gè)氬氣入口（正常拉晶時(shí)的氬氣通道）、一個(gè)抽真空接口（當(dāng)隔離閥關(guān)閉時(shí)副爐室抽真空用）和一個(gè)真空計(jì)接口（0～1000Torr）,。 二,、籽晶提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 籽晶旋轉(zhuǎn)提升機(jī)構(gòu)俗稱提拉頭，主要由安裝盤,、減速機(jī),、籽晶腔（真空腔）、劃線環(huán),、快速電機(jī),、慢速電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī),、離合器,、磁流體、鋼纜,、籽晶稱重頭,、軟波紋管等其他部件組成 。 提拉頭的主要功能有使籽晶旋轉(zhuǎn) 提升,，并保證勻速旋轉(zhuǎn)變速提升,，且記錄單晶重量 位移等數(shù)據(jù)。 在籽晶提升機(jī)構(gòu)里采用鋼索卷筒提升鋼絲繩,。整個(gè)提升裝置在一根中空的軸上旋轉(zhuǎn),，該機(jī)構(gòu)經(jīng)過靜平衡和動(dòng)平衡測(cè)試，在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無(wú)振動(dòng)平穩(wěn)的運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)密封和提升進(jìn)給密封均采用磁流體密封,。提升腔,、離合器腔、稱重腔和晶升底板均由高強(qiáng)度鋁制造而成,。 三,、副爐室旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用直流伺服電機(jī)，雙級(jí)蝸輪蝸桿減速,，加強(qiáng)型同步帶傳動(dòng),，可在副爐室提升到位時(shí)的緩慢旋開和快速旋閉，實(shí)現(xiàn)取單晶過程的自動(dòng)化動(dòng)作,。 四,、坩堝提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 坩堝提升機(jī)構(gòu)的垂直方向采用了滾珠直線導(dǎo)軌和高精度絲桿，在高負(fù)載甚至電機(jī)斷電的情況下實(shí)現(xiàn)自鎖,。坩堝旋轉(zhuǎn)采用可承受高轉(zhuǎn)矩的多碶帶驅(qū)動(dòng),，從而消除了齒形帶傳動(dòng)的震顫。旋轉(zhuǎn)密封采用可承受軸向力磁流體密封,，垂直密封采用不銹鋼波紋管,。 坩堝提升機(jī)構(gòu)中直線導(dǎo)軌座和底板成90°固定，兩者間采用筋板支撐,，從而提高整體的剛度,，避免由側(cè)向力矩引起的直線導(dǎo)軌和絲桿的變形。 在單晶生長(zhǎng)過程中會(huì)形成硅氧化物（SiO）小顆粒并沉積在波紋管中,。這些氧化物應(yīng)被定期清除出去,。將波紋管從坩堝軸密封一惻松開。將它在適當(dāng)位置系好以防止它往下彈回去,。 用真空吸塵器清除所有的灰塵,，包括磁流體密封座的密封表面上的灰塵檫拭干凈后裝回波紋管。 五,、真空系統(tǒng) 真空系統(tǒng)各零件由不銹鋼制成,，所有連接都采用法蘭式氟橡膠O型密封圈，真空閥采用的是高真空氣動(dòng)球閥,。 1 主真空系統(tǒng) 主真空系統(tǒng)提供了為各腔體抽真空或者當(dāng)隔離閥關(guān)閉時(shí)僅為上下爐室抽真空的閥和管道,。為控制真空腔獨(dú)立氣流壓力提供了自動(dòng)壓力控制節(jié)流閥。 2 輔助（副爐室）真空系統(tǒng) 輔助真空系統(tǒng)提供了將副爐室從常壓抽至與上下爐室相等壓力的閥和管道,。在隔離步驟中,，它通常是最先使用的，一根柔性波紋管為提升和旋轉(zhuǎn)副爐室提供柔性連接,。 六,、氬氣系統(tǒng) 氬氣系統(tǒng)由不銹鋼管,、電磁截止閥、質(zhì)量流量控制器,、減壓器,、手動(dòng)截止閥和柔性波紋管道構(gòu)成,，在爐子的運(yùn)行過程中向爐子內(nèi)提供氬氣,。爐子上有兩個(gè)氬氣入口（副爐室頂部和爐蓋喉部）由質(zhì)量流量控制器控制，另一個(gè)氬氣入口（隔離閥座后部）是快充口,，不由質(zhì)量流量控制器控制,。氬氣由副爐室頂部的分流環(huán)分配以減少副爐室內(nèi)的紊流。 1 質(zhì)量流量控制器 質(zhì)量流量控制器為氬氣進(jìn)入主爐體提供精密的流量控制,。 2 密封和管路 氬氣系統(tǒng)在不銹鋼管,、電磁截止閥和質(zhì)量流量控制器的連接處采用金屬卡套密封，柔性不銹鋼波紋管間采用快卸法蘭式氟橡膠O型密封圈,。整個(gè)氬氣系統(tǒng)經(jīng)過氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏,，在1×10-8CC(std.atm.)/sec(He)范圍內(nèi)未查出泄漏。 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為爐子提供一個(gè)安全良好的運(yùn)行環(huán)境,，上爐室和副爐室采用不銹鋼安全閥進(jìn)行過壓保護(hù)。腔體外部出水口處設(shè)置安全溫度監(jiān)測(cè),，如果溫度超過55°C,，就會(huì)向操作者發(fā)出警告。冷卻水流量傳感器裝在爐體總回水管,，其作用是萬(wàn)一水流斷開后30秒切斷加熱器電源,。 單晶爐生產(chǎn)工藝 生產(chǎn)工序：加料→熔化→縮頸生長(zhǎng)→放肩生長(zhǎng)→等徑生長(zhǎng)→尾部生長(zhǎng) (1)加料：將多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，雜質(zhì)的種類依電阻的N或P型而定,。雜質(zhì)種類有硼,，磷，銻,，砷,。 (2)熔化：加完多晶硅原料于石英堝內(nèi)后，長(zhǎng)晶爐必須關(guān)閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內(nèi),，然后打開石墨加熱器電源,，加熱至熔化溫度（1420℃）以上，將多晶硅原料熔化,。 (3)縮頸生長(zhǎng)：當(dāng)硅熔體的溫度穩(wěn)定之后,，將籽晶慢慢浸入硅熔體中。由于籽晶與硅熔體場(chǎng)接觸時(shí)的熱應(yīng)力,，會(huì)使籽晶產(chǎn)生位錯(cuò),，這些位錯(cuò)必須利用縮勁生長(zhǎng)使之消失掉,。縮頸生長(zhǎng)是將籽晶快速向上提升,，使長(zhǎng)出的籽晶的直徑縮小到一定大?。?-6mm）由于位錯(cuò)線與生長(zhǎng)軸成一個(gè)交角，只要縮頸夠長(zhǎng),，位錯(cuò)便能長(zhǎng)出晶體表面,，產(chǎn)生零位錯(cuò)的晶體。 (4)放肩生長(zhǎng)：長(zhǎng)完細(xì)頸之后,，須降低溫度與拉速,，使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。 (5)等徑生長(zhǎng)：長(zhǎng)完細(xì)頸和肩部之后,，借著拉速與溫度的不斷調(diào)整,，可使晶棒直徑維持在正負(fù)2mm之間，這段直徑固定的部分即稱為等徑部分,。單晶硅片取自于等徑部分,。 (6)尾部生長(zhǎng)：在長(zhǎng)完等徑部分之后，如果立刻將晶棒與液面分開,，那么效應(yīng)力將使得晶棒出現(xiàn)位錯(cuò)與滑移線,。于是為了避免此問題的發(fā)生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小,，直到成一尖點(diǎn)而與液面分開,。這一過程稱之為尾部生長(zhǎng)。長(zhǎng)完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時(shí)間后取出,，即完成一次生長(zhǎng)周期,。
