硅晶圆

什么是硅晶圆？

硅是一种灰色、脆性的四价化学元素。它占地壳的 27.8%，是自然界中仅次于氧气的最丰富的元素。最常见的含硅材料有石英、玛瑙、燧石和常见的沙滩沙等。它是水泥、砖块和玻璃等建筑材料的主要成分。硅也是制造半导体和微芯片的最常见材料。具有讽刺意味的是，硅本身并不能很好地导电；但是，它可以精确地加入掺杂剂，以控制电阻率达到精确的规格。

在制造半导体之前，硅必须先变成硅片，然后再变成硅晶圆。这要从硅锭的生长开始。 单晶硅晶体由原子组成，原子以三维周期性模式排列，这种模式贯穿整个材料。A 多晶硅 晶体是由许多具有不同取向的小单晶体形成的，单靠这些单晶体无法用于半导体器件。

硅晶圆制造

硅锭的生长时间因多种因素而异。超过 75% 的单晶硅片是通过 直拉法（CZ）生长的。采用直拉法硅锭生长需要原始多晶硅块。将这些大块硅与少量称为掺杂剂的特定 III 族和 V 族元素一起放入石英坩埚中。添加的掺杂剂可为生长出来的硅锭提供所需的电气性能。最常见的掺杂剂是硼、磷、砷和锑。根据掺杂剂的不同，铸锭会成为 P 型或 N 型铸锭（硼：P 型；磷、锑、砷：N 型）。

硅锭生长

要生产硅锭，第一步是将硅加热到 1420°C，即高于硅的熔点。 多晶体和掺杂剂组合液化后，单晶硅晶体，即子晶，被放置在熔体顶部，几乎不接触表面。子晶与成品硅锭所需的晶体取向相同。为了实现掺杂均匀性，子晶和熔融硅坩埚以相反的方向旋转。一旦系统达到晶体生长所需的适当条件，子晶就会慢慢从熔体中升起。晶体生长从子晶的快速提拉开始。这样可以在晶体生长过程开始时最大限度地减少子晶内晶体缺陷的数量。

之后，拉速降低，使晶体直径增大。当获得所需的直径时，稳定生长条件以保持直径。当子晶被缓慢地提升到熔体上方时，子晶和熔体之间的表面张力会使硅薄膜附着在子晶上，然后冷却。在冷却过程中，熔化硅中的原子会按照子晶的晶体结构定向。

切片

一旦硅锭完全长成，就将其研磨成粗略的直径尺寸，该直径尺寸略大于最终硅晶圆的目标直径。在硅锭上切割一个缺口或平面，以指示其方向。在通过一系列检查后，硅锭开始切片。由于硅的硬度，金刚石边缘锯会小心地切割晶圆，使其厚度略高于目标规格。金刚石边锯还有助于最大限度地减少晶圆的损坏、厚度变化以及弓形和翘曲缺陷。

晶圆切片后，开始进行研磨工序。研磨晶圆可以去除晶圆正面和背面的锯痕和表面缺陷。它还能使晶圆变薄，有助于缓解晶圆在切片过程中积累的应力。在研磨硅晶圆后，还要对其进行蚀刻和清洁处理。氢氧化钠或醋酸和硝酸可减轻研磨过程中可能产生的任何微小裂纹和/或表面损伤。然后进行关键的边缘研磨工序，使边缘变圆，从而大大降低晶圆在其余制造步骤和设备制造商日后使用晶圆时的破损几率。

根据最终用户的要求，在对边缘进行倒圆角处理后，通常还要进行额外的抛光步骤，以提高整体清洁度，进一步减少破损率，最高可达 400%。

清洗

生产过程的最后一步，也是最关键的一步是抛光晶圆。这一过程在无尘室中进行。无尘室有一个等级系统，从 1 级到 10,000 级不等。等级与每立方英尺的颗粒数量相对应。这些颗粒肉眼无法看到，而在不受控制的环境中，如客厅或办公室，颗粒数可能达到每立方英尺 500 万个。为了保持这种洁净度，工人必须穿上从头到脚覆盖全身的洁净室防护服，这样就不会收集或携带任何微粒。他们还要站在风扇下，吹走进入房间前可能积聚的任何小颗粒。

抛光

大多数优质硅晶圆都要经过 2-3 个阶段的抛光，使用逐渐变细的研磨液或抛光剂。大多数情况下，晶圆只对正面进行抛光，但300mm晶圆除外，因为这种晶圆进行双面抛光。抛光可产生镜面效果。抛光还能区分哪一面用于设备制造。该表面必须没有形貌、微裂纹、划痕和残留的工作损伤。

抛光过程分为两个步骤，即去毛刺和化学机械抛光 (CMP)。这两个过程都使用抛光垫和抛光浆料。去浆工艺只会去除很薄的一层硅涂层，这对于生产无损伤的晶圆表面是必要的。另一方面，最终抛光不会去除任何材料。在去除浆料的过程中，晶圆表面会形成雾状，因此额外的抛光步骤可使晶片达到镜面效果。

抛光后，硅晶圆进入最后的清洁洗阶段，使用一系列长的清洁槽。这一过程可去除表面杂质颗粒、微量金属和残留物。通常还会进行背面擦洗，以清除最小的杂质颗粒。

封装

硅晶圆完成最后的清洗步骤后，工程师会按规格对其进行分类，并在高亮度灯或激光扫描系统下进行检查。这样可以检测出制造过程中可能出现的多余杂质颗粒或其他缺陷。所有符合适当规格的硅晶圆都装入盒中，并用胶带密封。 硅晶圆封装在真空密封的塑料袋中，外层是不透气的铝箔袋。这样可以确保硅晶圆在离开无尘室时不会有杂质颗粒或湿气进入晶圆盒。