硅晶圆工艺中的晶体晶向小知识

硅晶体生长之前会有Si的提纯，化学反应如下：

SiO2+2C->Si+2CO

由 SiO2 组成的砂在碳气氛中还原以获得 98% 的粗纯度 Si。如此获得的Si被称为MGS。之后，盐酸处理将大部分杂质转化为氯化物形式。在此过程结束时，它在氢气氛中通过蒸馏热解，成为比 MGS 纯度更高的 Si 晶体生长的原料。可以获得EGS（多晶硅）。

<CZ晶体生长>

1) 将未掺杂的 EGS 插入二氧化硅坩埚中。

2) 放置掺杂剂（插入掺杂的 Si 碎片或元素形式的掺杂剂）

3) 将坩埚加热至真空气氛至1420摄氏度并熔化成Si掺杂剂液体形式。

4) 添加晶种（<100>, <111>）来生长晶体，晶种就会开始沿着该方向生长。

硅晶生长方向是沿(100)或(111)晶面生长。其中，(100)方向是主要生长方向。硅晶生长方向沿(100)或(111)晶面生长的原因如下：

1. (100)和(111)晶面的表面能量最小，且在硅晶结构中最为稳定。

2. 晶体生长时，晶粒在表面形成，由于(100)面的面能较低，因此(100)面更容易形成晶粒，并且生长速度也会较快。

3. (111)晶面的结构对称性优秀，因此在制造某些器件时，可选择沿此方向生长，从而使得器件具有更好的性能表现。

综上所述，(100)和(111)晶面是硅晶生长方向，这是由它们表面能量较小并且对称性较好的特性决定的。

硅晶圆通常沿着<100>晶向切割。因为硅晶圆在晶格结构方面最为稳定，在生产过程中切割成<100>晶向硅晶片的成本较低，且该晶向的硅晶片已经有较为成熟的制造工艺和生产设施。同时，<100>晶向硅晶片也具有优异的电学特性和较低的漏磁等特点，能够较好的适应目前集成电路的设计需求。除此之外，有些特殊应用需要采用其他方向的硅晶圆，如加速器用硅晶圆采用<111>晶向，以获得更好的性能。

在晶圆的生产过程中，通常会先在所生长的晶圆上划下标记，标记的方向就是晶圆的生长取向。之后，晶圆需要进行机械切割，将其切成薄片。切割的方向应选为与生长方向相同。主要的原因是：1. 硅晶圆的生长方向和切割方向一致，使得晶圆内部结构和性质均匀，提高了生产效率和产品质量。2. 不同方向的硅晶划痕和加工难度不同，不同方向的硅晶片也会有不同的物理特性，如果切割方向与生长方向不同，可能会导致硅晶片表面失真，影响晶体管等电子元器件的性能。因此，在制造硅晶圆的过程中，生长方向和切割方向一般是要一致的，这也是保证产品质量和一致性的重要措施。

在硅晶圆片的制造和加工中，通常会在圆形表面上切割或研磨一个小的平面区域，这个区域被称为flat zones（“切平区”或“研磨平面”）。flat zones通常被切割成矩形或大致矩形的形状，且位于晶圆周边的某个特定位置，这个位置的准确定义取决于晶圆的规格和设计。通常，flat zones的作用是提供一个可供参考的定向标记，以便在芯片制造过程中，确定晶圆的方向和位置。另外，flat zones还可以被用来检测晶圆的质量和表面平整度。为了确定作为Wafer基本信息的晶体方向和类型，使用最广泛的标准是SEMI标准，它通过初级和次级平面形成的角度来区分晶圆，如上图所示：

- 二次切平区与主要切平区成 180° 角：n 型 <100>

- 90°：P 型 <100>。

- 45° 以上：n 型 <111>

- 无二次平面：p 型 <111>

硅晶圆片上的notch（“凹槽标记”）是用来标记晶圆方向和晶向的，通常位于晶圆的平边上。notch是晶圆制造过程中切割晶片时留下的痕迹。notch的位置和形状不同，取决于晶片的制造者的规范。它可以是一个V形或U形凹槽，也可以是其他形状，甚至可以是一段切口。notch的作用是为了帮助晶片的旋转和定位，以确保晶片的正确定位，这在芯片制造过程中非常重要。但硅晶圆片的切割方向不一定都是沿着notch方向，而取决于具体的制造工艺和设计。在某些情况下，晶圆可能会根据平边或其他特殊的定向特征方向被切割。而在某些制造工艺中，晶圆的切割方向可能需要与notch方向对齐，这是因为notch能够提供一定的参考坐标系统，以确保芯片的属性和参数满足规格要求。因此，在具体的制造过程中，是否按照notch方向切割硅晶圆片是需要考虑多种因素的决定。