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一、制造半导体生产设备的设备是用什么制造出来的?

在了解制造半导体生产设备的过程中，你会发现许多关键设备，如单晶炉、外延炉、扩散炉等。这些设备在半导体制造过程中扮演着重要角色。单晶炉用于制备高纯度的单晶硅，这是制造半导体器件的基础。外延炉则用于在单晶硅基底上生长单晶外延层，以实现特定的半导体特性。扩散炉则用于在硅片上进行杂质扩散，以形成PN结等结构。

集成电路测试仪、光刻机、晶圆挑片机和晶圆举片机等设备则在后续工艺中发挥关键作用。集成电路测试仪可以检测电路的性能和可靠性。光刻机则用于在硅片上精确地绘制出电路图案。晶圆挑片机和晶圆举片机则用于搬运和处理硅片。

此外，X射线单晶定向仪用于确定单晶硅的晶向，这对于确保半导体器件的性能至关重要。超声波铝丝焊接机和超声波金丝球焊接机则用于将铝丝或金丝焊接到硅片上，以实现电路的电气连接。中束流离子源则用于离子注入工艺，以改变硅片表面的掺杂浓度。镀膜机用于在硅片上沉积绝缘层、导电层等材料。清洗机则用于清洁硅片表面，以确保后续工艺的准确性。蚀刻机用于去除不需要的材料，形成半导体器件的微细结构。刺晶座则用于在硅片上形成微细的针状结构，用于制造某些特殊器件。

所有这些设备的制造都需要精密的工艺和技术，需要先进的材料科学和工程学知识。制造这些设备的材料和技术本身也是半导体行业的重要研究方向。通过对这些设备的深入研究，我们可以更好地理解半导体制造工艺，从而推动半导体技术的进步。

制造这些设备的材料和技术涉及多种学科，包括物理学、化学、材料科学和机械工程等。制造设备的材料需要具备高纯度、高稳定性、良好的热学性能和机械性能等特性。同时，设备的制造过程也需要严格控制，以确保设备的精度和可靠性。

二、宝石人工合成(晶体生长)中的籽晶制备

唐元汾

作者简介：唐元汾，中宝协人工宝石专业委员会第二、三届委员，原中国科学院上海硅酸盐研究所晶体研究室高级工程师。

一、引言

人们对宝石人工合成（晶体生长）有一种神奇的感觉，其实晶体的培育生长和自然界种庄稼很类似。要想获得优良的晶体，首先要选出良好的种子（籽晶），有了良好的种子，才能培育生长出我们希望得到的方向、尺寸、形状的优质晶体材料，最后再进一步加工出各式各样的宝石和首饰产品。

在这一过程中，籽晶的作用非常重要。好的籽晶至少要满足以下两个条件：

1）具有合适的晶体生长取向：生长取向通常是指生长轴与晶体光轴的夹角。由于大部分晶体具有各向异性，不同晶向的生长习性也不同，不同的晶体生长取向下，质量、生长速率、单晶率、完整性等都不同。故要根据生产需要，选择最有利的晶体生长取向和生长面。

2）内在质量良好：籽晶应该单晶性好，没有峦晶、多晶、气泡、包裹物、散射颗粒等缺陷，以避免这些缺陷“遗传”到晶体中，具体可用激光来检验。

为了能选出我们希望的、质量合格的籽晶，需要用到激光，X光晶体定向仪，光学偏光显微镜和切、磨、抛等项技术和设备。

本文就宝石人工合成培育晶体生长中所需要的方向，各种几何尺寸形状的好籽晶作一些介绍。

二、焰熔法生长宝石用籽晶的制备

焰熔法是最常见的宝石生长方法，广泛用于刚玉类无色蓝宝石和彩色宝石、彩色铝镁尖晶石宝石、金红石、钛酸锶等合成宝石产品。焰熔法具有无需坩埚、温度高、生长速度快和效率高等优点，同时该方法由于纵向、横向的环境温度梯度大、生长速度快，产品梨晶中缺陷很多。如果籽晶中有缺陷，这些缺陷会顽强地延伸到梨晶中，使晶体炸裂，成品率低，质量欠佳。因此焰熔法中籽晶选用合适与否对晶体生产影响很大。我们曾选用（1120）面的优质红宝石籽晶在原上海玻璃仪器一厂宝石车间试验，结果成品率由原87.59%提高到90.99%，这说明了选择优质籽晶的重要性。

下面简要介绍焰熔法生长宝石晶体时制备籽晶的方法。

1）初次生长宝石无籽晶可用，此时可利用焰熔法无籽晶直接培育法生长出晶体，再利用该晶体制备籽晶。具体方法式是先在底座上（蜡烛台）生长几个晶芽，选择其中长得最快和发育晶形最好的晶芽，把它扩大培育生长成大的梨状晶体。如图1所示。

图1无籽晶生长底座图

2）在得到如图2所示的梨状晶体后，根据梨晶根部的晶面削面（001）面和梨晶顶部有平行于[001]方向的显露线，在顶部沿平行显露线中心，用0.3mm的金刚石锯片，切锯1～3mm的深槽，此时梨晶就会沿梨晶顶部中心自动对裂成两个如图4所示的大瓣半梨晶。

图2梨状晶体

图3裂成两半的半梨晶

3）在获得如图3所示的两大瓣半梨晶之后，首先把两大瓣梨晶的两大面加工抛光，如图4所示的那样，选择晶体内部散射颗粒、滑移、双晶孪晶少的晶胚料来切取优质籽晶。

图4实物

图5长方或正方直角准确方块

4）定向程序是将经检验过的优质梨晶瓣加工成如图5所示的长方或正方直角准确的方块，为定向做好第一步准备工作。

X射线晶体定向程序是先根据晶体的X射线粉末衍射谱线图，查得所需方向hkl的参数θ。例如要定α－Al2O3晶体的[006]方向，查表1可知其对应的θ角为20°50′。把X光晶体定向仪上的刻度盘转到2θ也即41°40′的位置上。将要测定的α－Al2O3晶体方块（即图5）的端面贴在X光晶体定向仪的测定吸附口上，转动转轮，当转轮刻度转到20℃左右，X光晶体定向仪上的显示指针会出现左右摇摆，这就表示接近[006]方向了。X光晶体定向操作是一个修磨操作工艺：在X光晶体定向仪指针向左偏的时候，要把α－Al2O3晶体方块的端面右面在研磨机的金刚石磨盘上进行研磨。反之则修磨左端面。这样经过反复修磨到这个端面能使显示指针锁定在20°50′的位置上。然后依此端面为基准面，用直角器测量，把如图5所示的一个大面和一个侧面修磨加工成直角形方块，直角精确度要在1℃内。用该大面和侧面分别作为对刀面和基准面，用外圆多刀或内圆单刀切割机进行籽晶切割，达到如图6所示的籽晶。

图6切出的籽晶

表1α－Al2O3晶体衍射谱线参数

表2YAG晶体衍射谱线参数

三、提拉法生长宝石用籽晶的制备

用提拉法可生长刚玉类无色蓝宝石和彩色宝石，YAG及YAG仿祖母绿等宝石晶体。如果没有晶体可用来切割籽晶时，可先用与坩埚材料同质的金属棒，作模拟籽晶，引晶提拉出晶体来，再根据晶体方向面在晶体坯料上显露的特征，根据表1与表2的X射线粉末衍射谱线参数可查出相应α－Al2O3和YAG晶体在所需方向的参数θ，采用上文介绍的焰熔法宝石生长用籽晶制备工艺，即能定向切割出用于提拉法生长刚玉类白宝石和彩色宝石等所需的优质籽晶，如图7和图8。

图7提拉法生长的白宝石及其籽晶

四、焰熔法合成尖晶石的籽晶制备

查表3合成尖晶石（MgAl2O4）的X射线粉末衍射谱线图得到其所需方向的参数θ，同样采用上文介绍的焰熔法宝石生长用籽晶制备工艺，即能定向切割出用于焰熔法生长尖晶石所需的优质籽晶，如图9。

图8YAG晶体及其籽晶

图9合成尖晶石晶体及其籽晶

表3镁铝尖晶石（MgAl2O4）晶体衍射谱线参数

五、结论

1）宝石人工合成（晶体生长）的成品率，晶体产品质量与晶体培育生长所用的籽晶方向及质量密切相关。

2）用X光晶体定向仪及氦氖激光，光学检测等方法来选择优质籽晶切实可行。

参考文献

李德宇，刘建成，唐元汾.1983.宝石单晶生长取向与脆性关系的研究.硅酸盐学报，No.01，11.

刘来保，赵久.2001.应用X射线定向仪的晶体快速定向法.北京：化学工业出版社.

碳化硅晶片加工过程及难点

芯片失效分析半导体元器件失效分析可靠性测试2022-01-2121:40

采用碳化硅的器件具有耐高温、耐高压、大功率，还可以提高能量转换效率并减小产品体积等特点。这样的产品基础上游材料，必然会收到下游市场的大量采用。

碳化硅上下游产业链

在碳化硅晶片生产中，衬底是碳化硅产业链最核心的环节，直接制约碳化硅应用放量。根据有关数据显示，其衬底的成本约占整个环节的50%！

01

碳化硅晶片生产工艺流程

碳化硅晶片生产流程

碳化硅晶片以高纯硅粉和高纯碳粉作为原材料，采用物理气相传输法（PVT）生长碳化硅单晶，再在衬底上使用化学气相沉积法（CVD法）等生成外延片，最后制成相关器件。

1、原料合成：将高纯硅粉和高纯碳粉按一定配比混合，在2，000℃以上的高温下反应合成碳化硅颗粒。再经过破碎、清洗等工序，制得满足晶体生长要求的高纯度碳化硅微粉原料。

2、晶体生长：通常采用物理气相传输法（PVT法）生长碳化硅晶体。其生长原理如下图所示，

图源自天科合达

将高纯碳化硅微粉和籽晶分别置于单晶生长炉内圆柱状密闭的石墨坩埚下部和顶部，通过电磁感应将坩埚加热至2，000℃以上，控制籽晶处温度略低于下部微粉处，在坩埚内形成轴向温度梯度。碳化硅微粉在高温下升华形成气相的Si2C、SiC2、Si等物质，在温度梯度驱动下到达温度较低的籽晶处，并在其上结晶形成圆柱状碳化硅晶锭。

3、晶锭加工：将制得的碳化硅晶锭使用X射线单晶定向仪进行定向，之后磨平、滚磨，加工成标准直径尺寸的碳化硅晶体。

4、晶体切割：使用多线切割设备，将碳化硅晶体切割成厚度不超过1mm的薄片。

5、晶片研磨：通过不同颗粒粒径的金刚石研磨液将晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。

6、晶片抛光：通过机械抛光和化学机械抛光方法得到表面无损伤的碳化硅抛光片。

7、晶片检测：使用光学显微镜、X射线衍射仪、表面平整度测试仪、表面缺陷综合测试仪等仪器设备，检测碳化硅晶片的微管密度、表面粗糙度、电阻率、弯曲度、厚度变化、表面划痕等各项参数指标。

8、晶片清洗：以清洗药剂和纯水对碳化硅抛光片进行清洗处理，去除抛光片上残留的抛光液等表面沾污物，再通过超高纯氮气和甩干机将晶片吹干、甩干。

02

碳化硅衬底加工难点

碳化硅衬底制备过程主要存在以下难点：

一、对温度和压力的控制要求高，其生长温度在2300℃以上；

二、长晶速度慢，7天的时间大约可生长2cm碳化硅晶棒；

三、晶型要求高、良率低，只有少数几种晶体结构的单晶型碳化硅才可作为半导体材料；

四、切割磨损高，由于碳化硅的硬度极大，在对其进行切割时加工难度较高且磨损多。昂贵的时间成本和复杂的加工工艺使得碳化硅衬底的成本较高，限制了碳化硅的应用放量。

此外，晶片尺寸越大，对应晶体的生长与加工技术难度越大，而下游器件的制造效率越高、单位成本越低。目前国际碳化硅晶片厂商主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶片，Wolfspeed、II-VI等国际龙头企业已开始投资建设8英寸碳化硅晶片生产线。

来源：旺材芯片

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