6 英寸重掺砷硅单晶及抛光片
有研半导½材料股½有限公司
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半导½硅材料在½民经济中的意义
在全球信息化和经济全球化的进程中，以通信业、计算机业、½络业、家电业为代表
的信息技术，获得了飞速发展，信息产业已经成为每一个发达½家的第一大产业。进入
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世纪以来，
我½信息产业的发展已超过传统产业而成为½民经济中第一大产业和对外出口创
汇的支柱产业。半导½工业，特别是集成电路工业是信息产业的基础和核心，是½民经济现
代化与信息化建设的先导和支柱产业，
是改造和提升传统产业及众多高新技术产业的核心技
术。半导½工业的主要物质基础是半导½材料。半导½材料制造技术的不断进步，推动了超
大规模，超高速集成电路的迅速发展，带来了现代电子计算机的更新换代。半导½材料、半
导½器件及集成电路的发展与应用水平早已成为衡量一个½家的½力、
½防、
½民经济现代
化和人民生活水平的重要标志。
半导½硅材料是重要的半导½功½材料，
其用量约占半导½
材料总用量的
95%以上。半导½硅材料包括：硅多晶、硅单晶、硅单晶片（切片，研磨片
以及抛光片等）
、硅外延片、非晶硅和微晶硅、多孔硅以及硅基材料（SOI 和 SiGe/Si 材料
等）
。硅材料已成为制造现代半导½器件不可缺少的重要的基础材料。
随着极大规模集成电路时代的到来，CMOS 工艺因其优异的特性深受人们的关注。重
掺砷（As）硅单晶片是理想的外延衬底材料，广泛应用于集成电路和高端功率器件中。因
其½克服器件结构中固有的闭锁（LATCH-UP）效应和
α
粒子½失效等寄生效应，引起众多
器件厂家的高度重视。随着集成电路和功率器件应用领域和范围的不断扩大，对重掺
As
硅
片的市场需求量也不断增加。½管半导½市场波动频繁，重掺硅片市场始终稳定增长。½为
半导½硅材料厂家，
迫切任务是及时提供重掺硅单晶片外延衬底材料，
以满足市场日益增长
的需要。
½内外重掺硅单晶材料研究状况
在重掺硅单晶抛光片中，重掺 As 硅单晶是最为理想的外延衬底材料，其市场需求量不
断增加。由于
As
在高温下极易挥发，掺入硅晶½非常困难，同时，重掺杂晶½中存在高应
力，并在生产中会存在砷的有毒物质等原因，½得重掺 As 硅单晶制备工艺技术变得复杂，
因而½际上生产重掺 As 硅单晶的厂家（公司）并不多，主要集中在几个大的厂家，如德½
Wacker 公司，日本
SUMCO
公司，韩½ LG 公司，以及中½台湾 ATC 公司等。全球对重掺
As 硅材料的需求量很大。据了解，重掺 As 硅单晶市场总需求量为 400－500 吨/年，而且在
逐年增长。
½内从事重掺 As 硅单晶抛光片材料的研究和生产的厂家比较少，而且是近几年内才开
始的。目前½向客户提供产品的厂家更少，所提供的均为 4½5 英寸的小直径产品。其中有
的生产厂家由于重掺 As 硅单晶制备工艺未过关，成品率很½，单晶的技术参数尚不½充分
满足器件的要求。近年来，½内多个器件厂家，如南京 55 所、石家庄 13 所、吉林华微电子
有限公司等对重掺 As 硅片的需求量不断增加。现已有不少客户迫切希望½提供电阻率值更
½、直径尺寸更大的重掺 As 硅片，如美½ GLOBITECH，希望并已经与½泰半导½材料有限
公司建立供需关系，重掺 As 硅片市场前景十分看½。
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重掺砷硅单晶片外延衬底材料的优异性½
½硅单晶中掺入Ⅴ族元素，如磷、锑、砷等，就会½成 N 型导电材料，而½硅中掺入
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Ⅲ族元素，如硼、铝等，就会½成 P 型导电材料。
拉制单晶的电阻率值是由被选择的掺杂元素的掺入量来确定的，掺杂元素的掺入量越
大，单晶的电阻率越½，掺入量很大的½电阻率单晶，称为重掺硅单晶（单晶片）
；反之，
掺杂元素的掺入量少，则称为½掺硅单晶（单晶片）
。掺杂元素的掺入量，根据器件单½或
外延单½对目标电阻率值的要求,并经过计算确定的。
拉制½掺硅单晶时，需要掺入的杂元素量很少，一般多采用以母合金（所谓母合金，
是将掺杂元素“稀释”成为硅的溶½，便于½掺杂时控制杂质称量的准确性）½式掺入，操
½非常简单。而拉制重掺½电阻率硅单晶时，需要掺入的掺杂量比较大，则需要将称量½的
掺杂元素直接向硅溶½中掺入。如果选择的掺杂剂是砷、磷、锑，特别是具有挥发性和毒性
很强的掺杂元素砷时，
则不仅在技术上难度很大，
而且在环保治理和人员操½上½会带来相
应的难题。
通常在选择掺杂剂时，特别是选择拉制重掺½电阻率硅单晶衬底片的掺杂剂时，要求
掺杂剂应具备如下几个特点：
（1）首先需要选择在硅中溶解度大的掺杂剂。掺杂剂在硅中溶解度大，才½获得更½
电阻率的单晶，
这种½电阻率的单晶衬底片是人们最希望得到的。
其中砷在硅中的溶解度最
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大，可高达 9.0x10 ，比磷高 3 倍，比锑高一个数量级。
一种元素在其它某种物质中溶解有一定限度，其溶解度大小与两种物质的结构，分子
间力的大小和类型有关。
不同杂质在硅中的固溶度差异很大。
通常两种元素的原子半径越大，
溶解度越小。原子外层电子数差别越大，溶解度也越小。
（2）需要选择具有分凝系数比较大的掺杂剂。具有分凝系数大的掺杂剂掺入晶½中的
杂质量大，
而且其在晶½中的分布均匀性也½。
其中砷在硅中的分凝系数比锑的大一个数量
级，与磷的相½。
（3）在准备进行掺杂时，还必须要考虑杂质在硅中的扩散，特别是在固½中的扩散。
根据器件的要求，用½外延衬底的硅片，要选择在硅中扩散系数小的掺杂剂。这样可以避免
或减少杂质由硅衬底反扩散，
以保证获得过渡层很窄和电阻率比较高的外延层。
其中砷在硅
中的扩散系数比磷和锑要小一个数量级。
（4）错配度要小。所谓错配度是掺杂剂原子半径与硅原子半径的比值。错配度越小越
½，这样可避免杂质掺入后硅晶格发生畸变。从而提高晶½的完整性和成晶率。锑的原子半
径又比硅的约大 14%，错配度比较明显。其中砷的原子半径与硅非常接近，可视为无错配。
砷½为掺杂剂具备上述诸多特点，是最为理想的掺杂剂，正在吸引着众多材料厂家的
关注。½砷具有很强的挥发性，在向硅熔½掺入过程中，将会有大量的掺杂剂挥发掉，同时
在硅单晶生长过程中掺入的杂质也会不断通过熔½表面进行挥发。
挥发掉的掺杂剂不½½响
掺杂的准确性，更重要的是给后序工½带来众多麻烦。众所周知，砷是一种有毒性的物质，
特别是它的氧化物，如 As
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，人称砒霜，是剧毒物质。因此，在制备重掺砷硅单晶的技术
上，环保治理上难度非常大。正像人们常讲的：樱桃½吃树难½。因此在选择砷½为掺杂剂
时必须开发出与常规不同的掺杂方法，同时解决热场配½及环保治理等一系列技术难题。
6 英寸重掺砷硅单晶衬底片的自主研制
有研半导½材料股½有限公司（有研硅股）及其子公司½泰半导½自主研发的 6 英寸
重掺砷硅单晶及抛光片生产技术，
攻克了掺杂方法和重掺单晶热场结构以及环保治理等一系
列技术难题：
（1）自主开发出适应挥发性强的掺杂剂的掺杂方法——挥发扩散法
首先自主研制出挥发扩散的掺杂方法，该方法是制备重掺砷硅单晶材料的核心技术。实
践证明该方法简单，操½安全，掺杂效率高，可½砷的逸失量降½到最½，从而减½了环保
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治理的压力等。
（2）开发出环保治理工艺
砷的氧化物
As
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是一种毒性很强的物质，
因此在选择砷½为掺杂剂时必须开发出有效
的安全防护措½并制订严格的管理制度，对含有砷的排放尾气和清理炉子用的水环泵中的
水，必须有一套完整的处理工艺，以达到½家环保排放标准要求。为此，本项目自主开发出
了一种全封闭的砷处理工艺。
环保治理技术是本项目中最为关键的技术之一。在该技术中，所有含砷尾气和废水½
在封闭的回路中进行处理，
液½在封闭的回路中循环，
排出的气½经过净化处理后达标排放，
固½废弃物经收集后送到专业公司集中处理。
该方案是在试验分析基础上制定的，
运行证明
非常有效，并已得到北京市环保局的批复。在后续生产阶段，对包括所有含
As
物质均采用
综合环保治理措½。
经过该工艺治理的尾气中砷含量达到½家排放标准。
（3）热系统配½和 6 英寸重掺 As 硅单晶生长工艺参数选择
在设计中考虑到氩气流向的重要性，
½氩气流集中于热场中央的晶½周围流过，
一方面
抑制了大量重掺挥发物沉积造成的对晶½生长的½响，另一方面，由于气流的控制，也减少
了砷的挥发，保证了½电阻率晶½的生长。
通过反复实验选择的单晶生长工艺参数，
保证了有比较高的单晶成晶率与稳定的性½参
数。
（4）硅片加工关键技术
1）线切片技术
线切片工艺与内圆切片工艺相比，在损伤层深度、硅片弯曲度、翘曲度参数的控制上
存在诸多优势，更½地满足了
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英寸硅片的要求。
线切片在硅片参数控制上明显优于内圆切片，而且线切片成品率高，刀缝损失小，节
省材料，从而降½成本。
2）双面磨片技术
磨片的质量直接½响到抛光片的质量，磨片工艺主要控制硅片的总厚度变化批量生产
的厚度一致性。主要技术有：硅片厚度控制；磨盘平整度控制；磨液配比控制。
3）酸腐蚀工艺
酸腐蚀具有减少硅片机械变½、
改善硅片边缘状态及增加硅片表面光洁度等优点。
主要
进行了如下几方面的试验工½：
酸液浓度和硅片腐蚀速率的关系及硅片几½参数的关系；
不
同腐蚀速率对腐蚀硅片表面的½响；
腐蚀液的温度对硅片的几½参数的½响。
经过上述的试
验，取得了较½的结果。
4）背面多晶硅生长和背封
为了解决生长膜的片内均匀性、片间均匀性和炉间均匀性，我们进行了生长气½的流
量和气½模型及生长区的温场分布的各种调试和试验，
试验数据表明，
二氧化硅膜的均匀性
达到了≤5％，多晶硅膜的均匀性达到了≤7％的要求。硅片在生长了二氧化硅后，根据客户
的要求，硅片的边缘要求去掉一定½度的二氧化硅，我们自行设计和安装相应的装½，达到
了去除边缘二氧化硅的目的。
5）抛光技术
在研制
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英寸硅抛光片的过程中，通过不断地调整工艺条件，开发出一套比较成熟的
有蜡抛光工艺。工艺流程为：边缘抛光 贴片前清洗 贴片 四步抛光。通过硅片厚度偏差
和蜡膜厚度及其均匀性的控制，注意环境、陶瓷板及相应的硅片工艺传递中颗粒沾污控制，
优化有蜡抛光工艺以及清洗工艺，6 英寸硅抛光片的各项指标已完全达到了设计要求。
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申请专利和获奖情况
在该项目研制过程中，在自主创新的同时，还注意保护自主知识产权，共申请与重掺技
术有关专利 9 项，其中发明专利 8 项，技术覆盖重掺硅单晶和硅片生产的各个环节。
该项目获得以下奖项：
核心专利获“第十届（2007 年度）中½专利奖金奖”
中华人民共和½½务院颁发“½家科学技术进步二等奖”
北京市人民政府颁发“北京市科学技术一等奖”
“2007 年中½半导½创新产品和技术奖”
6 产品的销售量和销售收入
目前已½成年产 10 万片的生产½力，2006-2007 年度共销售直径 6 英寸重掺硅单晶抛
光片约 134 万片，创产值约 25351 万元，利润约 2232 万元。
产品的应用范围和市场前景
重掺硅单晶抛光片制备技术难度大，附加值高，市场需求量大且稳定。目前½内主要
需求方有河北普兴、上海新进、华润华晶、上海新傲等，随着½内半导½产业的不断发展，
将会有更多的
IC
器件厂商涌现出来，需求量也会不断增大，市场前景看½。
我们在积极开拓½内市场的同时与多家½际
IC
厂建立联系，已与美½
GlobiTech
公司
建立战略合½关系，并通过了美½
GlobiTech
公司的应用评估，开始批量供货；6 英寸重掺
衬底片已大批量进入安森美半导½（ON
SEMI）公司；与此同时，该产品还间接进入了德
州仪器（TI）及仙童（Fair
Child）等几家世界著名 IC
制造厂，在½际半导½硅片市场上有
了一定的½响，具有良½的推广前景。6 英寸重掺硅片大量销往½外½我½的硅材料第一次
在真正意义上进入½际半导½产业市场。有研硅股以高技术、高附加值的产品赢得了市场，
提升了企业自身的½际竞争力和½响力。
8 对产业的推动½用
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英寸重掺硅片为½际硅材料市场的主流产品之一，该产业的发展将带动多晶硅原料、
石英材料、石墨材料、洁净材料、超净包装材料业以及装备制造业的发展。本项目在研发和
生产过程中，
为降½运行成本和扶植½内产业供应链，
试用并采购了大量½内生产的的原辅
材料，如北京化学试剂所生产的高纯化学试剂、四川乐山生产的悬浮磨砂液及抛光液、½宁
½阳生产的切削液等，
½用了½内生产的石英坩埚和山东生产的石墨坩埚及石墨制品，
并帮
助这些材料供应商提高产品质量。在设备研制方面，我们发挥自身技术优势，与½内外相关
单½合½研究，
带动了硅单晶生长技术和加工设备的发展，
开展重掺硅单晶生长装½的研究；
在硅单晶截断方面，
和½内厂商合½开发出带锯截断机。
这些½为我½半导½材料产业用相
关设备的开发打下了基础。
以上工½，½然½项目承担单½付出了一定的代价，½却客观地提升了½内相关配套
材料企业的技术水平，为生产成本的降½奠定了基础，为½内
IC
制造相关材料产业链的½
成和发展做出了重要的贡献。
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