1、半导体晶片扩散用高纯碳化硅晶舟的产业化研究半导体晶片扩散用高纯碳化硅晶舟的产业化研究2010-12-2814:56晶舟是用于半导体器件制造工艺的关键部件。要求材料高温强度优异、半导体级的纯度、导热率高、和晶片近似的热膨胀系数、尺寸精密。国外已广泛采用高纯碳化硅材料取代了传统的石英玻璃。然而国内高纯碳化硅晶片扩散部件的开发和生产至今尚属空白。目前此类扩散部件全部依靠国外进口,价格昂贵,严重制约了半导体器件制造业国产化的发展。本项目针对高纯碳化硅晶舟产业化中的配方、成型、净化、加工以及烧成关键技术进行研究攻关。主要关键技术环节已经全部打通。其中材料的配方、净化、精加工工艺已经确定并在产品制造工艺中
2、得到实际应用。独特的成型工艺已完成四吋(F105mm)管状薄壁(4.5mm)高纯碳化硅晶舟试制;密度大于3.0g/cm3;气孔率为零;强度超过140MPa;纯度接近(有些已超过)美国诺顿电子同类产品技术指标。目前微电子行业集成电路IC的材料还是以单晶硅晶片为主。在晶片制造工艺过程中，1000oC以上单晶硅晶片的掺杂扩散是单晶硅晶片获取半导体性能的关键生产工艺。在过去的单晶硅晶片掺杂扩散工艺中,如承载4吋晶圆,使用的主要工艺材料是石英玻璃。然而石英玻璃制品的致命缺陷是:1)软化点(1100oC)低，不耐高温;2)与硅晶片极易粘结;3)因石英舟和石英管易变形而造成硅片变形使成品率无法提高;并且其中
3、的钾、钠等杂质挥发容易污染单晶硅晶片。近二十年来,半导体工业的晶圆尺寸从4吋(105mm)发展至12吋(达到300mm以上),线宽从2微米发展到90纳米，对于制造过程中的气氛均匀性和纯净度的要求更趋严格。在1000oC以上的扩散过程中，尤其是晶圆尺寸的变大，石英炉管因高温负重过大而产生变形，在晶圆自动化输送过程中无法对位，石英玻璃材料已远远不能满足晶片制造工艺的需要。目前晶片热处理及其掺杂扩散部件材料国外已完全采用高性能、高纯度的碳化硅晶舟及其它装备。这些新型碳化硅材料的性能满足严格和复杂的工艺和环境要求:良好的导热系数;与单晶硅晶片有相同的热膨胀系数;优异的抗热急变性能;高密度;高纯净度和卓
4、越的高温强度;以及可以长期工作在强酸碱的腐蚀气氛环境中。新型碳化硅材料制成的晶片热处理及其掺杂扩散部件有水平式或竖立式晶舟;工艺管;晶托，悬臂桨。国内晶片生产线几乎全部是引进的国外设备。晶片热处理及其掺杂扩散部件也是完全依赖进口，都属于易耗品，价值高，每件价格在6000-9000元以上，增大了国内晶片生产的成本。然而在国外用于单晶硅片热处理及其扩散部件的碳化硅材料从上世纪90年代已开始产业化生产，形成巨大的产业。随着国内晶片业的飞速发展，我国一些微电子企业也正在通过大量进口新型碳化硅材料的成品来替代陈旧的石英玻璃。晶舟是用于晶片扩散工艺的传输与承载工具。晶舟是半导体单晶硅片生产线上的消耗品。据
5、有关资料报道,国外一个中等半导体器件制造厂家一般拥有800-1000件碳化硅晶舟库存量来满足正常生产的需要。以2001年国内单晶硅片的产量350吨为例，全国大约有六十多个此类生产厂家,平均按每厂以200件碳化硅晶舟来估算晶舟使用量，每年所需晶舟约为10,000件,一件晶舟(平均单价2000元/件)的正常使用寿命一般为两年。根据以上方法测算，碳化硅晶舟国内市场容量的保守估计每年约为1000万元以上。扩散工艺管的价格是晶舟的十倍到二十倍,使用量约为晶舟的四分之一,这样加上晶舟的需求量整个高纯碳化硅产品的国内市场容量的估计每年约为5000-8000万元以上。晶舟是用于半导体器件制造工艺的关键部件。要
6、求材料高温强度优异、半导体级的纯度、导热率高、和晶片近似的热膨胀系数、尺寸精密。国外已广泛采用高纯碳化硅材料取代了传统的石英玻璃。然而国内高纯碳化硅晶片扩散部件的开发和生产至今尚属空白。目前此类扩散部件全部依靠国外进口,价格昂贵,严重制约了半导体器件制造业国产化的发展。本项目针对高纯碳化硅晶舟产业化中的配方、成型、净化、加工以及烧成关键技术进行研究攻关。主要关键技术环节已经全部打通。其中材料的配方、净化、精加工工艺已经确定并在产品制造工艺中得到实际应用。独特的成型工艺已完成四吋(F105mm)管状薄壁(4.5mm)高纯碳化硅晶舟试制;密度大于3.0g/cm3;气孔率为零;强度超过140MPa;
7、纯度接近(有些已超过)美国诺顿电子同类产品技术指标。目前微电子行业集成电路IC的材料还是以单晶硅晶片为主。在晶片制造工艺过程中，1000oC以上单晶硅晶片的掺杂扩散是单晶硅晶片获取半导体性能的关键生产工艺。在过去的单晶硅晶片掺杂扩散工艺中,如承载4吋晶圆,使用的主要工艺材料是石英玻璃。然而石英玻璃制品的致命缺陷是:1)软化点(1100oC)低，不耐高温;2)与硅晶片极易粘结;3)因石英舟和石英管易变形而造成硅片变形使成品率无法提高;并且其中的钾、钠等杂质挥发容易污染单晶硅晶片。近二十年来,半导体工业的晶圆尺寸从4吋(105mm)发展至12吋(达到300mm以上),线宽从2微米发展到90纳米，对
8、于制造过程中的气氛均匀性和纯净度的要求更趋严格。在1000oC以上的扩散过程中，尤其是晶圆尺寸的变大，石英炉管因高温负重过大而产生变形，在晶圆自动化输送过程中无法对位，石英玻璃材料已远远不能满足晶片制造工艺的需要。目前晶片热处理及其掺杂扩散部件材料国外已完全采用高性能、高纯度的碳化硅晶舟及其它装备。这些新型碳化硅材料的性能满足严格和复杂的工艺和环境要求:良好的导热系数;与单晶硅晶片有相同的热膨胀系数;优异的抗热急变性能;高密度;高纯净度和卓越的高温强度;以及可以长期工作在强酸碱的腐蚀气氛环境中。新型碳化硅材料制成的晶片热处理及其掺杂扩散部件有水平式或竖立式晶舟;工艺管;晶托，悬臂桨。国内晶片生
9、产线几乎全部是引进的国外设备。晶片热处理及其掺杂扩散部件也是完全依赖进口，都属于易耗品，价值高，每件价格在6000-9000元以上，增大了国内晶片生产的成本。然而在国外用于单晶硅片热处理及其扩散部件的碳化硅材料从上世纪90年代已开始产业化生产，形成巨大的产业。随着国内晶片业的飞速发展，我国一些微电子企业也正在通过大量进口新型碳化硅材料的成品来替代陈旧的石英玻璃。晶舟是用于晶片扩散工艺的传输与承载工具。晶舟是半导体单晶硅片生产线上的消耗品。据有关资料报道,国外一个中等半导体器件制造厂家一般拥有800-1000件碳化硅晶舟库存量来满足正常生产的需要。以2001年国内单晶硅片的产量350吨为例，全国大约有六十多个此类生产厂家,平均按每厂以200件碳化硅晶舟来估算晶舟使用量，每年所需晶舟约为10,000件,一件晶舟(平均单价2000元/件)的正常使用寿命一般为两年。根据以上方法测算，碳化硅晶舟国内市场容量的保守估计每年约为1000万元以上。扩散工艺管的价格是晶舟的十倍到二十倍,使用量约为晶舟的四分之一,这样加上晶舟的需求量整个高纯碳化硅产品的国内市场容量的估计每年约为5000-8000万元以上。
