从沙子到可以刻线的硅片，需要一个复杂而漫长的过程。 本文主要介绍以下流程：硅提纯、拉晶、切割、抛光、直至制作可用的硅片，以及主要流程的一些细节。 主要内容是工艺简介、工艺目标、设备结构。
我们先来了解一下晶圆和工艺路线的一些基本信息。
晶圆的主要尺寸为4英寸和6英寸硅晶圆，目前8英寸和12英寸硅晶圆的应用正在扩大。 这些直径分别为 100mm、150mm、200mm 和 300mm。 硅片直径的增加降低了制造单个芯片的成本。
然而，随着硅片直径的增大，对硅片表面局部平整度、表面附着的微量杂质、内部缺陷、氧含量等关键参数的要求也在不断提高，这对硅片提出了挑战制造技术。 更高的要求。
硅片制备设备是指将纯多晶硅材料制成一定直径和长度的硅单晶棒材料，然后将硅单晶棒材料经过一系列机械加工、化学处理等工艺，使其满足一定的几何尺寸。精度要求。 有表面质量要求的硅片或外延硅片，提供芯片制造所需硅衬底的设备。
直径小于200mm硅片制备的典型工艺流程为：
单晶生长→切割→外径滚光→切片→倒角→研磨→蚀刻→吸杂→抛光→清洗→外延→包装；
1、硅材料的特性
硅是一种半导体材料，因为它有 4 个价电子，并且与其他元素一起位于元素周期表的 IVA 族。
硅中价层电子的数量使其介于良导体（1 个价电子）和绝缘体（8 个价电子）之间。
选择硅作为主要半导体材料有以下四个原因：
2、硅的提纯：
纯硅在自然界中是找不到的，必须经过精炼和纯化才能成为制造所需的纯硅。 它常见于二氧化硅（氧化硅或SiO2）和其他硅酸盐中。
硅必须经过提纯才能用于制造芯片。
硅的提纯主要包括以下两个步骤：
冶金级提纯：主要是添加碳，通过氧化、还原得到纯度98%以上的多晶硅。 大多数金属也用这种方法提取。
电子级提纯：采用西门子工艺（ ）对冶金级硅（Grade，MG）进行进一步提纯，以获得更高纯度的多晶硅。 半导体级硅（Grade）：纯度99.99999%以上（7N~11N），相当于5000吨多晶硅的杂质总含量，仅为1元硬币的重量。 其中，太阳能级多晶硅（Multi Grade）纯度为99.99999%~99.%（7N~8N）。 太阳能级单晶硅（Mono Grade）的纯度为9N~10N。 电子级多晶硅（Grade，EG）的纯度为10N~11N。 多晶硅的纯度取决于反应物三氯硅烷（TCS）的蒸馏程度以及多晶硅块表面的杂质是否被蚀刻掉。
化学反应方程式为：
SiO2 (s) + 2C (s) = Si (s) + 2CO (g)
Si(s) + 3HCl(g) = (g) + H2 (g)
(g) + H2(g) = Si (s) + 3HCl (g)
3、拉单晶
将多晶硅拉制成单晶硅的工艺主要分为直拉法（CZ）和熔化区法（FZ）。 目前，大多数半导体硅片都是采用直拉法生产的。 金属单晶的直拉法（ ）是由塞西莉亚·克劳斯基（ ）于1916年发明的。单晶硅直拉法包括熔化、焊接、缩颈、台肩放置、台肩旋转、等径生长和精加工等步骤。 整个流程如下：
将多晶硅和掺杂剂放入石英坩埚中，通过周围的石墨加热器将温度升至1420℃以上，得到熔融状态的多晶硅。
待熔融多晶硅的温度稳定一段时间后，将籽晶（直径约0.5厘米，长约10厘米）降低至液面上方3~5毫米处预热，然后插入表面用于焊接的熔融晶体。
旋转籽晶并缓慢向上提起，倒置石英坩埚，利用Dash技术（无位错单晶生长）缩小颈部，消除位错。 因为当籽晶插入熔融晶体中时，由于籽晶与熔融晶体之间的温差引起的热应力和表面张力，会产生位错。
当细颈长到足够的长度时，通过降低拉动速度来释放肩部。 目前拉晶工艺多采用平肩工艺（肩角接近180°），以减少单晶硅锭头部原料的损失。
当晶体生长由直径扩大到等直径生长阶段时，需要进行台肩旋转。 目前，采用快转台肩工艺来提高拉速。
台肩旋转完成后，调节提拉速度和温度，控制晶体生长，保持无位错生长。
晶体的等径生长完成后，晶体的直径必须慢慢减小，直至接近尖点，然后才与熔融的晶体液面分离。 如果晶体立即与熔体分离，热应力会产生位错行和滑移线，精加工的作用是防止位错向后延伸。
(1)直拉法和直拉单晶炉
直拉法又称（CZ）法，是指将熔融的半导体级硅液转变成具有正确晶体取向并掺杂成N型或P型的固态单晶硅锭。
目前，超过85%的单晶硅是采用直拉法生长的。
直拉单晶炉是指在密闭高真空或稀有气体（或惰性气体）保护的环境中，通过加热将高纯多晶硅材料熔化成液态，然后再结晶，形成一定形状的单晶硅材料。和尺寸。 工艺设备。
单晶炉的工作原理是将多晶硅材料再结晶成液态单晶硅材料的物理过程。
直拉单晶炉可分为炉体、机械传动系统、加热及控温系统、气体输送系统四部分。
炉体包括炉腔、籽晶轴、石英坩埚、掺杂勺、籽晶盖、观察窗几部分。
炉腔保证炉内温度分布均匀，散热良好； 籽晶轴的作用是带动籽晶上下移动和旋转； 将待掺杂的杂质放入掺杂勺中；
籽晶盖是为了保护籽晶免受污染。 机械传动系统主要控制籽晶和坩埚的运动。
为了保证硅液不被氧化，要求炉内的真空度很高，一般在5Torr以下，并且添加的惰性气体的纯度必须在99.9999%以上。
使用具有所需晶体取向的硅单晶作为籽晶来生长硅锭，并且生长的硅锭就像籽晶的复制品。
需要精确控制熔融硅液和单晶硅籽晶之间的界面条件。 这些条件保证了薄薄的硅层能够精确地复制籽晶的结构，并最终生长成大的单晶硅锭。
(2)区域熔炼法及区域熔炼单晶炉
区熔（FZ）法，生产的单晶硅锭含氧量极少。 区域熔炼法于 20 世纪 50 年代开发，可生产迄今为止最纯的单晶硅。
区熔单晶炉是指利用区熔法的原理，在高真空或有气体保护的稀石英管环境下，通过多晶棒炉体的高温狭窄封闭区域进行局部生产多晶棒区的狭窄熔化区，
移动多晶棒或炉加热体，使熔化区移动并逐渐结晶成单晶棒的工艺设备。
区熔法制备单晶棒的特点是在结晶成单晶棒的过程中可以提高多晶棒的纯度，并且棒的掺杂生长比较均匀。
区熔单晶炉的类型可分为依靠表面张力的悬浮区熔单晶炉和卧式区熔单晶炉两种。 在实际应用中，区熔单晶炉一般采用浮动区熔。
该区熔单晶炉无需坩埚即可制备高纯低氧单晶硅。 主要用于高电阻率（>20kΩ·cm）单晶硅的制备和区熔硅的提纯。 这些产品主要用于分立功率器件的制造。
区熔单晶炉由炉室、上下轴（机械传动部分）、晶棒夹盘、籽晶夹盘、加热线圈（高频发生器）、气口（真空口、进气口、上部出风口）组成）和其他组件。
炉膛结构中，内部有冷却水循环。 单晶炉上轴的下端是晶棒夹头，用于夹持多晶棒； 下轴的顶部是籽晶夹头，用于夹住籽晶。
从多晶棒的下端开始向加热线圈通入高频功率，使多晶棒形成狭窄的熔化区。 同时，通过上下轴的旋转和下降，使熔化区结晶成单晶。
区熔单晶炉的优点是不仅可以提高制备的单晶的纯度，使棒材的掺杂和生长更加均匀，而且可以实现多道工艺对单晶棒材的提纯。
区熔单晶炉的缺点是工艺成本高，生产的单晶直径小。 目前，可生产的单晶最大直径为200mm。
区熔单晶炉设备整体高度较高，上下轴的行程较长，可以生长更长的单晶棒。
在制造多晶硅和直拉单晶硅的过程中，单晶硅含有氧。 在一定温度下，单晶硅中的氧会给出电子，氧会转化为电子供体。 这些电子会与硅片中的杂质相互作用，结合起来影响硅片的电阻率。
退火炉的作用：是指在氢气或氩气环境下将炉内温度提高到1000-1200℃。 通过保温和冷却，使抛光后的硅片表面附近的氧挥发并从表面去除，使氧沉淀。 是一种溶解硅片表面微观缺陷，减少硅片表面附近杂质数量，减少缺陷，在硅片表面形成相对洁净区域的工艺设备。
由于退火炉的炉管温度较高，故又称高温炉。 硅片退火工艺业内也称为吸气。
硅片退火炉分为：
卧式退火炉与立式退火炉的主要区别在于反应室的布置方向。
卧式退火炉反应室为卧式结构布局，可将一批硅片同时装入退火炉反应室进行退火处理。 通常退火时间为20至30分钟，但反应室需要较长的加热时间才能达到退火工艺所需的温度。
立式退火炉的工艺也是采用将一批硅片同时装入退火炉反应室进行退火处理。 反应室采用垂直结构布局，使得硅片可以水平放置在石英舟中。
同时，由于石英舟可以在反应室内整体旋转，因此反应室内的退火温度均匀，硅片上的温度分布均匀，具有优异的退火均匀特性。 但立式退火炉的工艺成本高于卧式退火炉。 成本较高。
快速退火炉采用卤钨灯直接加热硅片，可实现1~250℃/s的大范围快速加热或冷却。 加热或冷却速度比传统退火炉更快。 反应室温度只能加热到1100℃以上。 这需要几秒钟的时间。
5、硅锭切片
将硅锭剪掉头尾并检查尺寸（以确定后续加工的工艺参数）。
单晶硅锭在生长过程中，外径尺寸和圆度存在偏差，外圆柱面也存在凹凸不平。 硅锭的外径需要修整和磨削，使其尺寸和形状符合规范。 此外，还会在硅锭的侧面切出平坦或圆形的凹口（Flat/Notch）。 8英寸以下的硅锭称为Flat（平槽），8英寸（含）以上的硅锭称为Notch（V槽）。 Flat/Notch的作用是定位和指示晶体方向。 例如，12英寸晶圆规格要求Notch方向与晶体方向的偏差为±1°。
将硅锭一块一块切割后，需要切割成厚度为500~700um的硅片。
硅片切割需要严格的工艺要求。
1）断面完整性好，消除绘图、印刷痕迹。
2）切割精度要高生产包装机械工艺流程，表面平行度要高，厚度误差要小。
3）提高成品率，缩小切割间隙，减少材料损耗。
4）提高切割速度，提高生产效率，实现智能控制，自动切割。
由于硅非常坚硬（莫氏硬度为7），需要用内径边缘嵌有金刚石颗粒的薄环形锯片进行切割。 或者用钢丝进行线切割。
目前比较常用的方法是多线切割，效率更高，切割质量更好。
多线切割是利用金属丝的高速往复运动，将磨料带入半导体加工区域进行研磨，将半导体等硬脆材料一次性切割成数百片薄片的一种新型切割加工方法。 数控多线切割机已逐渐取代传统内圆切割，成为硅片切割加工的主要方法。
硅片多线切割技术的原理是利用高速移动的钢丝带动附着在钢丝上的切割刃材料与硅棒摩擦，从而达到切割效果。 整个过程中生产包装机械工艺流程，钢丝由十多个钢丝滑轮引导，在主钢丝滚轮上形成钢丝网，通过降低工作台来送入待加工的工件。 与其他技术相比，硅片多线切割技术具有高效率、高产能、高精度等优点。 它是应用最广泛的硅片切割技术。
6. 圆边和磨面
将硅锭切割成晶圆会产生锋利的边缘、边缘、毛刺、碎裂、小裂纹或其他缺陷。 为了避免角部开裂影响晶圆的强度，破坏晶圆的表面光洁度，并将污染颗粒带入后处理工艺，需要对晶圆的边缘形状和外径进行修整。
通过研磨工艺，去除切割时在晶圆表面产生的锯痕和损伤，使晶圆表面达到规格要求的光滑度。
7. 蚀刻
晶圆表面因加工压力而造成的损伤层被化学溶液蚀刻掉。
8. 抛光
晶圆抛光采用超细浆料（粒径10~100 nm，由Al2O3、SiO2或CeO2组成），结合压力、侵蚀、机械和化学方法，对两个旋转垫之间的晶圆表面进行抛光，获得优异的表面平整度。
抛光工艺（以下简称抛光方法）根据抛光液与硅片表面的相互作用，原则上可分为以下三类。
1、机械抛光法
机械抛光法的原理与研磨工艺相同，但所使用的磨料会更细。 采用机械抛光方法抛光的硅片一般具有较高的表面平整度，但机械作用造成的损伤较严重，损伤层较大。 深（相当于粒径的几倍）。 如果使用极细的磨料，抛光速度就会变得非常慢。 目前工业上一般不再采用机械抛光方法。
2、化学抛光法
硅片的化学抛光通常采用HN03-HF（硝酸、氢氟酸）蚀刻液进行。 化学抛光的硅片表面几乎可以无损伤，而且抛光速度比较高，但平整度较差，所以在工业生产中，化学抛光通常只作为抛光前的预处理，并不适用。单独用作抛光工艺。
3.化学机械抛光（CMP）
前两种抛光方法各有其独特的优点。 如果将这两种方法结合起来，可以在过程中实现优缺点互补。 化学机械抛光法是利用抛光液对硅片表面进行机械研磨和化学腐蚀。 具有机械抛光和化学抛光的双重功能。 CMP是业界发展起来的制造大直径晶圆的技术之一，也是现代半导体制造业中最常用的抛光方法。
CMP中使用的抛光液是由抛光粉和氢氧化钠配制而成的胶体溶液。 抛光粉通常使用SiO2或Zr02（氧化锆）来代替硬度过高的材料。
9. 清洁
使用超纯化学品彻底清洁晶圆，以去除上述工艺中残留的污染物。
10. 检查
通过光学检测，确保晶圆尺寸、形状、表面光洁度、平整度等技术指标符合规范。
结尾
