硅片生产过程详解

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培训目的：

1、确定硅片生产过程整个目标； 2、为工艺过程确定一典型流程； 3、描述每个工艺步骤的目的；

4、在硅片生产过程中，硅片性能的三个主要关系的确定。

简介

硅片的准备过程从硅单晶棒开始，到清洁的抛光片结束，以能够在绝好的环境中使用。期间，从一单晶硅棒到加工成数片能满足特殊要求的硅片要经过很多流程和清洗步骤。除了有许多工艺步骤之外，整个过程几乎都要在无尘的环境中进行。硅片的加工从一相对较脏的环境开始，最终在10级净空房内完成。

工艺过程综述

硅片加工过程包括许多步骤。所有的步骤概括为三个主要种类：能修正物理性能如尺寸、形状、平整度、或一些体材料的性能；能减少不期望的表面损伤的数量；或能消除表面沾污和颗粒。硅片加工的主要的步骤如表1.1的典型流程所示。工艺步骤的顺序是很重要的，因为这些步骤的决定能使硅片受到尽可能少的损伤并且可以减少硅片的沾污。在以下的章节中，每一步骤都会得到详细介绍。

表1.1 硅片加工过程步骤

1. 2. 3. 4.

切片

激光标识倒角磨片

5. 腐蚀 6. 背损伤

7. 边缘镜面抛光 8. 预热清洗

9. 抵抗稳定——退火 10. 背封 11. 粘片 12. 抛光

13. 检查前清洗 14. 外观检查 15. 金属清洗 16. 擦片 17. 激光检查 18. 包装/货运

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切片（class 500k）

硅片加工的介绍中，从单晶硅棒开始的第一个步骤就是切片。这一步骤的关键是如何在将单晶硅棒加工成硅片时尽可能地降低损耗，也就是要求将单晶棒尽可能多地加工成有用的硅片。为了尽量得到最好的硅片，硅片要求有最小量的翘曲和最少量的刀缝损耗。切片过程定义了平整度可以基本上适合器件的制备。

切片过程中有两种主要方式——内圆切割和线切割。这两种形式的切割方式被应用的原因是它们能将材料损失减少到最小，对硅片的损伤也最小，并且允许硅片的翘曲也是最小。

切片是一个相对较脏的过程，可以描述为一个研磨的过程，这一过程会产生大量的颗粒和大量的很浅表面损伤。

硅片切割完成后，所粘的碳板和用来粘碳板的粘结剂必须从硅片上清除。在这清除和清洗过程中，很重要的一点就是保持硅片的顺序，因为这时它们还没有被标识区分。

激光标识(Class 500k)

在晶棒被切割成一片片硅片之后，硅片会被用激光刻上标识。一台高功率的激光打印机用来在硅片表面刻上标识。硅片按从晶棒切割下的相同顺序进行编码，因而能知道硅片的正确位置。这一编码应是统一的，用来识别硅片并知道它的来源。编码能表明该硅片从哪一单晶棒的什么位置切割下来的。保持这样的追溯是很重要的，因为单晶的整体特性会随着晶棒的一头到另一头而变化。编号需刻的足够深，从而到最终硅片抛光完毕后仍能保持。在硅片上刻下编码后，即使硅片有遗漏，也能追溯到原来位置，而且如果趋向明了，那么就可以采取正确的措施。激光标识可以在硅片的正面也可在背面，尽管正面通常会被用到。

倒角

当切片完成后，硅片有比较尖利的边缘，就需要进行倒角从而形成子弹式的光滑的边缘。倒角后的硅片边缘有低的中心应力，因而使之更牢固。这个硅片边缘的强化，能使之在以后的硅片加工过程中，降低硅片的碎裂程度。图1.1举例说明了切片、激光标识和倒角的过程。

图1.1

磨片（Class 500k）

接下来的步骤是为了清除切片过程及激光标识时产生的不同损伤，这是磨片过程中要完成的。在磨片时，硅片被放置在载体上，并围绕放置在一些磨盘上。硅片的两侧都能与磨盘接触，从而使硅片的两侧能同时研磨到。磨盘是铸铁制的，边缘锯齿状。上磨盘上有一系列的洞，可让研磨砂分布在硅片上，并随磨片机运动。磨片可将切片造成的严重损伤清除，只留下一些均衡的浅显的伤痕；磨片的第二个好处是经磨片之后，硅片非常平整，因为磨盘是极其平整的。

磨片过程主要是一个机械过程，磨盘压迫硅片表面的研磨砂。研磨砂是由将氧化铝溶液延缓煅烧后形成的细小颗粒组成的，它能将硅的外层研磨去。被研磨去的外层深度要比切片造成的损伤深度更深。

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腐蚀（Class 100k）

磨片之后，硅片表面还有一定量的均衡损伤，要将这些损伤去除，但尽可能低的引起附加的损伤。比较有特色的就是用化学方法。有两种基本腐蚀方法：碱腐蚀和酸腐蚀。两种方法都被应用于溶解硅片表面的损伤部分。

背损伤（Class 100k）

在硅片的背面进行机械损伤是为了形成金属吸杂中心。当硅片达到一定温度时?，如Fe, Ni, Cr, Zn等会降低载流子寿命的金属原子就会在硅体内运动。当这些原子在硅片背面遇到损伤点，它们就会被诱陷并本能地从内部移动到损伤点。背损伤的引入典型的是通过冲击或磨损。举例来说，冲击方法用喷砂法，磨损则用刷子在硅片表面磨擦。其他一些损伤方法还有：淀积一层多晶硅和产生一化学生长层。

边缘抛光

硅片边缘抛光的目的是为了去除在硅片边缘残留的腐蚀坑。当硅片边缘变得光滑，硅片边缘的应力也会变得均匀。应力的均匀分布，使硅片更坚固。抛光后的边缘能将颗粒灰尘的吸附降到最低。硅片边缘的抛光方法类似于硅片表面的抛光。硅片由一真空吸头吸住，以一定角度在一旋转桶内旋转且不妨碍桶的垂直旋转。该桶有一抛光衬垫并有砂浆流过，用一化学/机械抛光法将硅片边缘的腐蚀坑清除。另一种方法是只对硅片边缘进行酸腐蚀。

图1.2举例说明了上述四个步骤：

图1.2

预热清洗（Class 1k）

在硅片进入抵抗稳定前，需要清洁，将有机物及金属沾污清除，如果有金属残留在硅片表面，当进入抵抗稳定过程，温度升高时，会进入硅体内。这里的清洗过程是将硅片浸没在能清除有机物和氧化物的清洗液（H2SO4+H2O2）中，许多金属会以氧化物形式溶解入化学清洗液中；然后，用氢氟酸（HF）将硅片表面的氧化层溶解以清除污物。

抵抗稳定——退火（Class 1k）

硅片在CZ炉内高浓度的氧氛围里生长。因为绝大部分的氧是惰性的，然而仍有少数的氧会形成小基团。这些基团会扮演n-施主的角色，就会使硅片的电阻率测试不正确。要防止这一问题的发生，硅片必须首先加热到650℃左右。这一高的温度会使氧形成大的基团而不会影响电阻率。然后对硅片进行急冷，以阻碍小的氧基团的形成。这一过程可以有效的消除氧作为n-

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施主的特性，并使真正的电阻率稳定下来。

背封（Class 10k）

对于重掺的硅片来说，会经过一个高温阶段，在硅片背面淀积一层薄膜，能阻止掺杂剂的向外扩散。这一层就如同密封剂一样防止掺杂剂的逃逸。通常有三种薄膜被用来作为背封材料：二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、多晶硅。如果氧化物或氮化物用来背封，可以严格地认为是一密封剂，而如果采用多晶硅，除了主要作为密封剂外，还起到了外部吸杂作用。图1.3举例说明了预热清洗、抵抗稳定和背封的步骤。

图1.3 预热清洗、阻抗稳定和背封示意图

粘片（Class 10k）在硅片进入抛光之前，先要进行粘片。粘片必须保证硅片能抛光平整。有两种主要的粘片方式，即蜡粘片或模板粘片。

顾名思义，蜡粘片用一固体松香蜡与硅片粘合，并提供一个极其平的参考表面？。这一表面为抛光提供了一个固体参考平面。粘的蜡能防止当硅片在一侧面的载体下抛光时硅片的移动。蜡粘片只对单面抛光的硅片有用。

另一方法就是模板粘片，有两种不同变异。一种只适用于单面抛光，用这种方法，硅片被固定在一圆的模板上，再放置在软的衬垫上。这一衬垫能提供足够的摩擦力因而在抛光时，硅片的边缘不会完全支撑到侧面载体，硅片就不是硬接触，而是“漂浮”在物体上。当正面进行抛光时，单面的粘片保护了硅片的背面。另一种方法适用于双面的抛光。用这种方法，放置硅片的模板上下两侧都是敞开的，通常两面都敞开的模板称为载体。这种方法可以允许在一台机器上进行抛光时，两面能同时进行，操作类似于磨片机。硅片的两个抛光衬垫放置在相反的方向，这样硅片被推向一个方向的顶部时和相反方向的底部，产生的应力会相互抵消。这就有利于防止硅片被推向坚硬的载体而导致硅片边缘遭到损坏。？除了许多加载在硅片边缘负荷，当硅片随载体运转时，边缘不大可能会被损坏。

抛光（Class ≤1k）

硅片抛光的目的是得到一非常光滑、平整、无任何损伤的硅表面。抛光的过程类似于磨片的过程，只是过程的基础不同。磨片时，硅片进行的是机械的研磨；而在抛光时，是一个化学/机械的过程。这个在操作原理上的不同是造成抛光能比磨片得到更光滑表面的原因。抛光时，用特制的抛光衬垫和特殊的抛光砂对硅片进行化学/机械抛光。硅片抛光面是旋转的，在一定压力下，并经覆盖在衬垫上的研磨砂。抛光砂由硅胶和一特殊的高pH值的化学试剂组

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成。这种高pH的化学试剂能氧化硅片表面，又以机械方式用含有硅胶的抛光砂将氧化层从表面磨去。

硅片通常要经多步抛光。第一步是粗抛，用较硬衬垫，抛光砂更易与之反应，而且比后面的抛光中用到的砂中有更多粗糙的硅胶颗粒。第一步是为了清除腐蚀斑和一些机械损伤。在接下来的抛光中，用软衬、含较少化学试剂和细的硅胶颗粒的抛光砂。清除剩余损伤和薄雾的最终的抛光称为精抛。

粘片和抛光过程如图1.4所示：

图1.4 粘片和抛光示意图

检查前清洗（class 10）

硅片抛光后，表面有大量的沾污物，绝大部分是来自于抛光过程的颗粒。抛光过程是一个化学/机械过程，集中了大量的颗粒。为了能对硅片进行检查，需进行清洗以除去大部分的颗粒。通过这次清洗，硅片的清洁度仍不能满足客户的要求，但能对其进行检查了。

通常的清洗方法是在抛光后用RCA SC-1清洗液。有时用SC-1清洗时，同时还用磁超声清洗能更为有效。另一方法是先用H2SO4/H2O2，再用HF清洗。相比之下，这种方法更能有效清除金属沾污。

检查

经过抛光、清洗之后，就可以进行检查了。在检查过程中，电阻率、翘曲度、总厚度超差和平整度等都要测试。所有这些测量参数都要用无接触方法测试，因而抛光面才不会受到损伤。在这点上，硅片必须最终满足客户的尺寸性能要求，否则就会被淘汰。

金属物去除清洗

硅片检查完后，就要进行最终的清洗以清除剩余在硅片表面的所有颗粒。主要的沾污物是检查前清洗后仍留在硅片表面的金属离子。这些金属离子来自于各不同的用到金属与硅片接触的加工过程，如切片、磨片。一些金属离子甚至来自于前面几个清洗过程中用到的化学试剂。因此，最终的清洗主要是为了清除残留在硅片表面的金属离子。这样做的原因是金属离子能导致少数载流子寿命，从而会使器件性能降低。SC-1标准清洗液对清除金属离子不是很有效。因此，要用不同的清洗液，如HCl，必须用到。

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擦片

在用HCl清洗完硅片后，可能还会在表面吸附一些颗粒。一些制造商选择PVA制的刷子来清除这些残留颗粒。在擦洗过程中，纯水或氨水（NH4OH）应流经硅片表面以带走沾附的颗粒。用PVA擦片是清除颗粒的有效手段。

激光检查

硅片的最终清洗完成后，就需要检查表面颗粒和表面缺陷。激光检查仪能探测到表面的颗粒和缺陷。因为激光是短波中高强度的波源。激光在硅片表面反射。如果表面没有任何问题，光打到硅片表面就会以相同角度反射。然而，如果光打到颗粒上或打到粗糙的平面上，光就不会以相同角度反射。反射的光会向各个方向传播并能在不同角度被探测到。

包装/货运

尽管如此，可能还没有考虑的非常周到，硅片的包装是非常重要的。包装的目的是为硅片提供一个无尘的环境，并使硅片在运输时不受到任何损伤；包装还可以防止硅片受潮。如果一片好的硅片被放置在一容器内，并让它受到污染，它的污染程度会与在硅片加工过程中的任何阶段一样严重，甚至认为这是更严重的问题，因为在硅片生产过程中，随着每一步骤的完成，硅片的价值也在不断上升。理想的包装是既能提供清洁的环境，又能控制保存和运输时的小环境的整洁。典型的运输用的容器是用聚丙烯、聚乙烯或一些其他塑料材料制成。这些塑料应不会释放任何气体并且是无尘的，如此硅片表面才不会被污染。最后六个步骤如图1.5所示。

图1.5 检查前清洗、外观检查、金属离子去除清洗、擦片、激光检查和包装/货运示意图

硅片制备阶段的问题

在硅片的制造过程中，涉及到许多参数。而且这些参数中有许多会因最终硅片目标不同而发

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生变化。对硅片来说，有一些参数始终是很重要的，如平整度、缺陷、沾污等。在下面的章节中将详细讨论。

当硅片被不正确运行的刀片所切割时，就会造成弯曲的刀口。这些刀口都不会相同，这就使硅片有不同种类的平面缺陷。能以最好的方式使硅片得到平整的表面是很重要的，因此应以尽可能平的面去切割硅片。

有不同的测量方法来测试硅片的平整度。一些测量方法给出了圆形的或者说是整个硅片的平整度而另一些方法只显示出局部的硅片平整度。整个的平整度对于设计样品时是很重要的，？从另一方面说，局部的平整度对于？设计是很重要的，？一些整体平整度测试的术语是弯曲度（bow）、翘曲度（warp）、总厚度超差（TTV）、总指示读数（TIR）和焦平面背离（FPD）。局部平整度测试的术语也与其一致。

Bow

硅片弯曲度是测量硅片弯曲程度，它是与硅片中心从一通过靠近硅片边缘的三个基点建立的平面的背离程度。弯曲度测试是一种较老的测试手段，不经常使用。因为弯曲度测试只能测试与中心的背离，其他方法也就相应产生了。实际上，硅片的背离会发生在硅片的任一位置，而且能产生很多问题。在最近的时间里，S型弯曲或翘曲的测试被真正采用。这种变形有比弯曲更复杂的形状。

Warp

硅片形状变形的另一测试方法是翘曲度的测试。翘曲度是测量硅片确定的几个参考面的中心线位置的最高点与最低点之最大差值。硅片的翘曲度起决于使用的一对无接触扫描探针。硅片被放置在三个形成参考平面的支点上，这对探针中一支可以在硅片一侧的任意位置，而另一支则在另一侧的相应位置。探针按设定的程序，沿硅片表面移动，测量到硅片表面指定点的距离。一旦所有的距离都已测得，翘曲的程度也就知道了。测定翘曲度，第一步就是找到顶部探针与顶部硅片表面的距离（a）和相应底部探针与底部硅片表面的距离（b）。换句话说，就得到了b-a的所有测量点。有了这些数据，将b-a的最大值减去b-a的最小值，再除以2就是Warp值（如图1.6所示）。

图1.6 翘曲度（Warp）和总厚度偏差（TTV）测量示意图

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硅片的翘曲度与半导体制造有关，因为一片翘曲的硅片在光刻过程中可能会引起麻烦；还可能在一些加工过程中粘片时也有问题。小量的翘曲在一些加工过程中可以通过真空吸盘或夹具得到补偿。

TTV

一种检测硅片厚度一致性的方法，叫总厚度超差（TTV），就是指硅片厚度的最大值与最小值之差。测量TTV可在测量Warp时同时进行。Warp中类似的探针和数据处理方法可以为TTV所采用。实际上，不同的仅仅是计算公式。在计算TTV时，第一步是将顶部探针与顶部硅片表面的距离（a）和相应底部探针与底部硅片表面的距离（b）相加，这里，我们要的是相加（a+b），TTV就是将a+b的最大值减去a+b的最小值。

TIR

总指示读数是一种只与硅片的正面有关的参数。测量方法是将与真空吸盘平行吸住的一面作为参考平面，TIR就是正面最高处与最凹处的差值。（见图1.7）

图1.7 总指示读数（TIR）和焦平面偏离（FPD）测量示意图

FPD

焦平面偏离（FPD）是指硅片上距焦平面最高处和最深处到焦平面的距离中远的一个。有时这个平面是参考硅片背面或是一个假想的平面。这一测量值表明了？

迄今为止，所讨论的所有平整度测试方法都是指整体测试。换句话说，所有的测试方法都是体现硅片整体的表面情况。这些方法中的大部分也可以测试局部状况。差别仅在于测试时所覆盖的区域是整体还是局部。通常，区域的选择尺寸同典型的电路芯片相同。举个例子，局部测试的硅片平整度称为局部厚度超差（LTV），LTV几乎与TTV相同，区别仅在于前者只对应硅片的小区域范围。

污染

硅片表面的污染是一个主要关注的问题。硅片生产过程从相对较脏的切片开始到最终进入一净空房结束，硅片要暴露在大量的不同化学品和溶液中，而且硅片还要被放入许多不同的机器进行机械加工，所有这些接触都会导致颗粒沾污。另两个主要的污染是金属和有机物。金

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属因硅片经过许多机器加工，金属与硅片表面直接接触而被留在硅片表面；有机物则可能来自于任何物体上的油脂或油。在硅片最终被发往客户前，所有的污染都必须被清除。安全

同其他制造环境一样，在设备的每一位置，都有其特殊的安全要求。在半导体制造的硅片生产阶段，许多安全问题非常类似于在一装备完好设备商店，有高速度的刀片和所有手工滚磨设备。硅片生产中的许多过程是机械导向的，因此，这些有操作危险的过程必须有一定的安全程序。

除了这些显而易见的机械危险外，还有化学方面的危险。硅片的生产要用到许多危险的化学药品，如在敞开式的硅片清洗中用到的HF和KOH。这些化学品的使用象水一样频繁，而且容易被灌输一种错误的安全观念。因此，当在进行与这些化学品相关的工作时，必须确定出所有正确的安全方针。

其它还有涉及到各种不同辐射的安全问题。在切片区域，有X-ray源；激光扫描区域，有激光的辐射可能会引起潜在的火灾，甚至使人失明。在这些区域，都应穿着适当的防护服，并应谨慎操作以防发生安全问题。

术语表

弯曲度（bow）

硅片弯曲度是指硅片中心与一通过靠近硅片边缘的三个基点建立的平面的背离程度。弯曲度是对整个硅片而言。

10级（class10）

通常指环境的清洁度时，10级是指每立方英尺空气中0.5μm大小的颗粒不超过10个，而且更大的颗粒数更少。这是一个非常洁净的环境。

硅胶

硅胶是一种悬浮的硅土颗粒，细小到无法分辨出各个颗粒，也无法从悬浮液中分离出来。

微切伤

微切伤是由刀片的颤动而引起的，它是刀片在行进过程中细微的背离，而在硅片上沿着切口留下的细小的脊状损伤。

外吸杂

外吸杂是一种适用在硅片背面的吸杂方法。

焦平面背离（FPD）

焦平面背离的测试能说明离硅片正面上任何点的焦平面的最远距离。FPD能衡量整个硅片正表面。

吸杂

吸杂是一种诱使金属杂质远离硅片正面的方法。通常通过在晶体结构中造成高应力区域来实现。有两种不同的吸杂方法：外吸杂和内吸杂。

雾化

雾化是硅片出现雾气的一个条件。可能由硅片的任何的沾污或损伤而引起。

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平均载流子寿命？

平均载流子寿命是指在硅体内多数载流子的平均复合时间。

Piranha

Piranha是一种清洗液，由硫酸（H2SO4）和双氧水（H2O2）组成。之所以起这个名字是因为当上述两种化学品混合时，溶液温度会达到120℃左右并剧烈沸腾。

总指示读数（TIR）

总指示读数是硅片的正面上距设定参考面最高处与最凹处的距离。TIR能表明整个硅片正面的情况。

总厚度超差（TTV）

总厚度超差（TTV）是指硅片最厚处与最薄处的差值。TTV也是对整个硅片的测试。

翘曲度（warp）

翘曲度（warp）是指离硅片中心线最高和最低的差值，是整个硅片的测试。

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习题

1、硅片生产的主要目的是为了生产---（）

a. 无损伤硅片

b. 清洁、平整、无损伤的硅片 c. ？

d. 有粗糙纹理的硅片

2、一个典型的工艺流程是---（）

a. 切片、磨片、抛光、检查 b. 切片、抛光、磨片、检查 c. 磨片、切片、抛光、检查 d. 抛光、切片、磨片、检查

3、磨片的目的是---（）

a. 提供一个高度抛光表面

b. 探测硅片表面的缺陷或沾污 c. 硅片抵抗的稳定

d. 清除切片过程造成的深度损伤

4、抛光过程是一个---（）

a. 一个化学/机械过程 b. 一个严格的化学过程 c. 一个严格的机械过程

d. 其它类型的过程

5、退火（抵抗稳定）过程为消除______的抵抗影响---（）a. piranha清洗液（H2SO4+H2O2） b. silox？

c. 金属 d. 氧

6、哪一种平整度测试能说明硅片厚度的一致性---（）

a. TTV（总厚度超差） b. TIR（总指示读数） c. 翘曲度

d. FPD（焦平面背离）

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切片目的

1、当将晶棒加工成硅片时，能确定切片加工的特性；

2、描述切片时所用的碳板的作用；

3、知道内圆切片和线切割机的优点和缺点； 4、硅片进行标识的目的； 5、硅片边缘？的原因；

6、描述硅片边缘？的典型方法。

简介

本章主要讨论多种切片工艺和它们的特征，对硅片的激光扫描，及硅片的边缘的contour。

切片综述

当单晶硅棒送至硅片生产区域时，已经准备好进行切割了。晶棒已经过了头尾切除、滚磨、参考面磨制的过程，直接粘上碳板，再与切块粘接就能进行切片加工了。

为了能切割下单个的硅片，晶棒必须以某种方式进行切割。在进行内圆切片的工场内，切片可能会引用许多标准。切片过程有一些要求：能按晶体的一特定的方向进行切割；切割面尽可能平整；引入硅片的损伤尽可能的少；材料的损失尽量少。为了满足切片的这些要求，一些特殊的切片方法产生了。在下面章节中将讨论几种切片的特殊方法和相关的工艺。

碳板

当硅片从晶棒上切割下来时，需要有某样东西能防止硅片松散地掉落下来。有代表性的是用碳板与晶棒通过环氧粘合在一起从而使硅片从晶棒上切割下来后，仍粘在碳板上。许多情况下，碳板经修正、打滑、磨平后，在材料准备区域进行粘接。

碳板不是粘接板的唯一选择，任何种类的粘接板和环氧结合剂都必须有以下几个特性：能支持硅片，防止其在切片过程中掉落并能容易地从粘板和环氧上剥离；还能保护硅片不受污染。其它粘板材料还有陶瓷和环氧。图2.1说明了碳板与晶棒的粘接。

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图2.1 粘棒示意图

石墨是一种用来支撑硅片的坚硬材料，它被做成与晶棒粘接部位一致的形状。大多数情况下，碳板应严格地沿着晶棒的参考面粘接，这样碳板就能加工成矩形长条。当然，碳板也可以和晶棒的其它部位粘接，但同样应与该部位形状一致。碳板的形状很重要，因为它要求能在碳板和晶棒间使用尽可能少的环氧和尽量短的距离。这个距离要求尽量短，因为环氧是一种相当软的材料而碳板和晶棒是很硬的材料。当刀片从硬的材料切到软的材料再到硬的材料，可能会引起硅片碎裂。

碳板不仅在切片时为硅片提供支持，而且也在刀片切完硅片后行经提供了材料，保护了刀片。这里有一些选择环氧类型参考：强度、移动性和污染程度。粘接碳板与晶棒的环氧应有足够强的粘度，才能支持硅片直到整根晶棒切割完成。要找到这样的环氧并非难事，但还要考虑到污染程度，因此，它必须能很容易地从硅片上移走，只有最小量的污染。一般地，环氧能很容易在热的乙酸溶液中溶解，或用其他的方法解决。所有这些方法，都应对硅片造成尽可能低的污染。

刀片

当从晶棒上切割下硅片时，期望切面平整、损伤小、沿特定方向切割并且损失的材料尽量小。任何的不能满足这些最低标准的切割方法都不能被采用。有一个速度快、安全可靠、经济的切割方法是很值得的。

当进行切片时，刀片所切下处或边缘处的材料都会损失，因此，更希望是一种低损失量的切片方法。这种损失量称为刀片损失。刀片损失是指材料损失的总量，因为这个损失是由于刀片在开槽时的移动而造成的。如果在切片过程中损失更少的量，那就意味着从同根晶棒上能切下更多的硅片，也就是降低了每一硅片的成本。在半导体企业，通常只有几种切割方法被采用。两种通常被应用的方法是环型切割和线切割。环型切割通常是指内圆切割，是将晶棒切割为硅片的最广泛采用的方法。

内圆切割

内圆切割正如它的名字一样，切割的位置在刀片的表面。刀片是由不锈钢制成的大而薄的圆环。刀片的内侧边缘镀有带钻石颗粒的镍层。这一钻石-镍的镀层提供了用来切割晶棒的表面，（见图2.2）。对于150mm的硅片，每刀用时3分钟。

图2.2

内圆刀片的构成和厚度

对一典型的内圆刀片，其中心部位由约0.005英寸的不锈钢制成，镍-钻石涂层是不锈钢刀片边缘两侧约0.003英寸。内圆刀片的内侧边缘总厚度约为0.0125英寸。这样，材料损失厚度略大于刀片的最厚度，大概在0.013英寸左右。镍-钻石涂层的厚度是内圆刀片的一个重要参数。很明显，这一厚度越小，刀片损失也就越少。

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但是，如果涂层太薄的话，刀片切下的路径太窄，刀片可能会有更大潜在可能冲击边缘，如果刀片发生任何偏差而撞击到边缘，硅片就会受到损伤，在接下来的步骤中就需要去除更多的材料。因此，有一个最适宜的镍-钻石涂层能得到最低的材料损失。

不管金属的污染，不锈钢因为它的特性而被作为内圆刀片普遍采用的核心材料。不锈钢有高的延展性能允许刀片有很大的张力，这种强的张力能使刀片绷的很紧很直，从而在切割时能保持刀片平直。钢的另一个有利之处就是它很耐用。这种经久的耐用性，能额外使用同一刀片而不需更换，从而使硅片的生产成本降低。这是很重要的因为更换一把刀片需耗时1.5小时左右。

记住在切片时使用了不锈钢也很重要，因为硅片会带有大量的金属离子。在硅片进行高温热处理之前，必须将金属从表面清除。否则，任何高温的过程都会使金属离子扩散进硅片而不易清除了。

内圆刀片

用内圆刀片来切割晶棒的原因是它有低的刀片损失，内圆刀片在开始塑性变形后，被张紧在鼓上。？这已超出了不锈钢的伸展点，为了能充分说明这个条件，要先介绍几个术语。压力是描述单位能承受的重量；张力是指改变后的长度与原始长度之比。通常用压力-张力曲线来表示材料特性。如图2.3所示，可以得到材料的伸展点和最终延展强度。伸展点是指材料在这一点上停止了按施加在其身上力比例伸展。从所画的图上可以看出，压力-张力曲线最终成了线性关系。当压力超过一定数值时，材料就开始快速伸展而增加的压力很小。材料没有完全失效所能承受的最大压力称为最终延展强度。在压力-张力曲线上，它处在最高点，这点以后，如果材料再承受任何一点压力都会导致材料断裂。

图2.3

图2.3为内圆刀片张紧时的典型压力-张力曲线。当刀片伸展至塑变区域后，就变得很刚直了。这就使不锈钢刀片有一中心厚度约0.006英寸左右，要达到同样的程度，外圆刀片的厚度是它的十倍多。厚度为0.0125英寸的内圆刀片，每切一刀，就损失一片硅片的50%厚度。如果刀片有其十倍厚，那么每切一刀，硅片的500%厚度都损失了。这就导致硅片的数量减少为原来的1/4（见图2.4）。硅片数量的减少直接导致其成本的显著上升。

图2.4

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内圆刀片的切片运动类似于一种研磨形式。研磨剂（钻石）混合在镍金属内，钻石是非常硬的物质，能刮去任何其它物质的表面，还有两种相近硬度的材料见莫氏硬度等级。

莫氏硬度等级

莫氏等级是在1800年代晚期，由Friedrich Mohs发展起来的。他的等级图是根据一种材料切割其它材料而得出的。在这等级图上，任何硬度高的材料都能切割硬度比它低的材料。这一等级图范围从扑面粉—最软的材料之一，到钻石—最硬的材料都包括在内了。图2.5列出了十种元素/化合物按硬度顺序排列的莫氏原始等级图。硅与石英有相近的硬度。从图上可看出，钻石能切割硅。

图2.5

当钻石涂覆在内圆刀片上切割晶棒时，它是在研磨硅材料。含钻石的研磨层在硅体内不断地研磨，造成硅的微观断裂而产生细微碎片。当刀片通过材料时，一些碎片也被带出来了。这个不断摩擦的过程，产生热和许多颗粒。一种润滑/冷却溶液，通常如水或水容性润滑剂，用来清除相切位置的颗粒。这种液体能控制硅沫并使温度下降。

内圆切片尺寸

切割硅片需要的内圆刀片尺寸是很大的，如对于200mm硅片，刀片的外圆直径约在32英寸左右。这么大的尺寸是为了使内径足够大，从而能将粘有碳板的晶棒都能通过。另外，刀片本身也必须能够切割晶棒的任何位置而不会使晶棒碰到刀片外侧的张紧圈。内径也相对较大，因为有了大的洞，刀片才能变得更硬。

对于相同尺寸的晶棒，有一个办法能减小刀片的尺寸，就是在切割前将晶棒滚圆。这个安排有利之处在于内圆切片时，只要通过晶棒一半的路程，因此，不需要如此大的直径。问题是，这种方法在切片时，要不引起硅片中心的？很困难。另一问题是它会导致碎裂并使硅片中心产生缺陷。随着晶棒直径的增大，内圆切片变得越来越不实用。

切片损伤

当切片机在切割晶棒时，会引起很多损伤。这些损伤来自于切片过程切磨的形式。这一过程会造成硅片产生许多细微破裂和裂纹，这种损伤层的平均厚度约为25-30μm。这样的损伤存在于刀片与晶棒接触的任何地方。因为切片接触的是硅片的表面，所以硅片表面存在着许多这样的损伤，这就意味着在接下来的过程中必须清除掉这些损伤，硅片才会有用。

如果刀片有任何振动，损伤层就会更深，有时候甚至是平均厚度的2-3倍。为了防止损伤层的延伸扩展，必须小心仔细地操作，尽可能消除刀片振动。有些损伤如果很深的话，在磨片

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之后仍能在硅片上看到。

刀片偏转

硅片弯曲和厚度偏差的主要根源在切片过程。影响硅片形状的最主要因素是切片过程中的刀片偏转。如果刀片在切片时发生振动，那么很有可能在刀片所在一侧的损伤层会比另一侧更深。不同的是，因刀片振动引起的损伤称为切片微分损伤。

在切片过程中，刀片偏转监测器能提供刀片偏转的实时监测。刀片偏转监测器的安装尽可能接近于切片区域。这个位置一般接近刀片的内圆处，并接近刀片切入晶棒的入口或刀片退出时的出口（如图2.6所示）。监测器是通过刀片处产生的旋涡来测试的。刀片偏转监测器的输出与反馈回路有关，当监测器探测到偏离时，这个回路能自动纠正路径偏离。在这个系统中，有一力量能纠正刀片偏差。这个系统使硅片切片时，有更少的翘曲度。

图2.6

在内圆切片时，刀片偏离的主要原因是对于刀片的切片速率而言，刀片的进给太快了。一般内圆刀片的进给速度是5cm/min。另一原因可能是钻石变脏了或者脱离了镍的涂层。当刀片因为脏而开始出现偏差时，就应进行修刀了。

修刀过程是使刀片的涂层暴露出新的、锐利的钻石。修刀通常是将碳化硅或氧化铝的研磨棒切片来完成。研磨棒能将镍钻涂层的外层磨去从而显露出新的尖锐的钻石。要检查修刀是否成功，唯一的方法就是再进行硅棒的切割。尽管修刀能生产新的尖利的表面，但除非必须，否则不大进行，因为每一次修刀都会减少刀片的寿命并增加机器待工时间。

问题

在切片过程中，经常会发生一些问题：硅片晶向错误，过分的切片损伤，刀片偏离，刀片失灵和碎片。

刀片失灵有几种：刀片变形、镍-钻涂层崩溃、刀片断裂。经常发生的问题是刀片变形。内圆刀片的变形可能因在张紧时的错误方式或在试图快速通过晶棒时的刀片进给速度太快。其它刀片变形的发生可能因不锈钢刀片承受的力太大造成刀片延展。刀片如果过度变形后，就不能保持笔直通过晶棒。这是因为刀片在切片时会发生抖动。刀片失灵造成的最主要的问题是引起硅片断裂和大量的表面损伤。

碎片（刀片退出时）无论任何方式，当刀片切割某种材料即将完成时，刀片在材料底部时，可能会引起材料碎裂，这种现象称为exit chip。碎片的发生是由于在切割的最后阶段，在材料的小区域中存在高的局部应力。当持续施加相同大小的压力在越来越薄的材料上，材料就无法再承受这样的压力。这片材料就开始断裂，材料的碎片就会松散。这些碎片尺寸相对较大，使硅片缺损，这样的硅片就不能使用了。图2.7列举了碎片的发生。

图2.7

最小限度（碎片）

有两种方法防止碎片的发生，一种方法是在最后阶段，减小刀片施加在硅片上的压力。在最后，可以通过降低刀片进给速率来减小压力。另一个方法是在晶棒外侧位置贴上几片材料，使切割完成。外表面额外材料的增加提供载体有利于切片的完成。这样就减少了硅片较薄边

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缘的压力，硅片也不会碎裂了。

有一防止碎片的系统可供选择，可以消除任何碎片的发生。就是使晶棒直径生长的稍大一点，那么在切片时，即使发生碎片，滚磨去碎裂处，仍有足够的材料。这种方法的应用使晶棒直径大1.3mm左右。切片之后，多余的材料就会被磨去。有了足够的材料，那么所有碎片的发生几乎都能包含在内了。

应指出的是，碎片大多发生在(100)晶向的硅片上，原因是（100）的硅片，切割垂直于（110）和其它（100）晶面。沿着（110）晶面切割很容易引起硅片碎裂。因此，在切割（100）向的硅片时，硅片有沿（110）晶面发生碎裂的趋向。在（111）向的硅片上，（111）面是与硅片的面相平行的。单晶硅的裂纹大多沿着（111）面。因此，任何裂纹的发生平行于切片方向而不会引起碎片。

除了内圆切割外，还有线切割。尽管线切割已使用了几个世纪，但被应用到半导体厂家仅仅在最近20年内。它们最初需要昂贵的投资，但因在切片损失上的减少能使其很快收回成本。线切割使用研磨砂浆来切割晶棒，砂浆贴附在接触并进入晶棒的钢线上，钢线会产生压力压迫研磨剂与晶棒接触，这样在砂浆和晶棒间的压力接触使材料被磨去。

线切割的基本结构很简单，一根小直径的钢线绕在几个导轮上使钢线形成梯形的形状。导轮上有凹槽能确保钢线以一定距离分隔开。一根连续的钢线集中绕导轮的一个个凹槽上，形成许多相同间隔的切割表面。线之间的空间决定了想要的硅片厚度。钢线的移动由线轴控制，因为整个系统只有一根钢线。线的两端分别绕在线轴上，晶棒慢慢向上（或向下）移动，穿过钢线，钢线能从晶棒上同时切割下许多硅片。图2.8是线切割的简单示意图。如150mm硅片，整根晶棒的切割完成只需约5-8小时。

图2.8

典型的线切割机使用的钢线直径约在0.006英寸。这么小的尺寸所造成的切片损失只有0.008英寸。单根线通常有100km长，绕在两个线轴上。如此长的钢线的应用使线的单个区域每次都不会与砂浆及晶棒接触很长时间。这种与砂浆接触时间的减少有利于延长钢线的寿命。而且，长的钢线意味着在一个方向上的进给能维持相当长的时间而不需要转换方向通过反向的绕线回来。

在一些系统中，钢线的进给在这次是一个方向，然后方向可翻转，然后再翻转。？举例来说，钢线向前走了约30秒，然后反向走25秒，然后再向前，如此反复。这样就使钢线通过系统的时间延长，或者刚在一个方向经过系统，反过来又要经过了。典型的钢线进给速度在10m/s（22mph），即一根100km长的钢线经过一个方向需10，000秒或约2.75小时。其中一个线导轮由马达驱动，控制整个钢线系统。

钢线必须保持一定的张力能压迫砂浆中的磨砂研磨晶棒，并防止导轮上的钢线进给错误。这都由一个线张紧装置来自己控制并调整系统。这个系统保持钢线在一定张力下，并控制钢线的进给速度。

线切割机的钢线与晶棒接触，而砂浆沉积在钢线上。砂浆由碳化硅与油混合而成，或其他一些类似的坚硬材料与液体的混合物。通过钢线的带动，砂浆会对晶棒缓慢研磨，带走晶棒表面少许材料，形成凹槽。钢线的不断移动将凹槽中的材料不断带走，在钢线完全通过晶棒后，砂浆仍随钢线移动。

随着硅片直径的增加，线切割机在硅片切割中将扮演更主要的角色。当硅片达到300mm或更大时，内圆刀片的直径也必须增大，而且刀片的厚度必须增加才能充分维持其刚直性，这样

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就会造成更多的刀片损失。另一方面，线切割机对于更大直径的硅片，不需要改变线的粗细。因此，线切割的切片损失仍保持不变，同一根晶棒就能得到比内圆切片更多的硅片。

线切割的问题

对于线切割，有两种主要的失效模式：钢线张力的错误改变和钢线断裂。如果钢线的张力错误，线切割机就不能有效进行切割了。钢线有任何一点的松动，都会使其在对晶棒进行切割时发生摇摆，引起切割损失，并对硅片造成损伤。低的张力还会发生另一问题，会使钢线导轮发生错误进给。这一错误可能造成对晶棒的错误切割或者使钢线断裂。在切割过程中，钢线可能会从一个凹槽跳到另一个凹槽中，使硅片切割进行到一半。钢线也可能因张力太大，达到它所能承受的极限，导致钢线断裂。如果钢线断裂，可能对硅片造成损伤，并使切割过程停止。断裂的钢线还可能造成众多硅片的断裂。

其它切割方式

近几年来，还有许多切割工艺被建议用在硅片切割上。如线性电气加工EDM，配置研磨线，电气化学，和电气-光化学。比起现在的切割工艺，所有的这些方法都有其潜在的优势，然而，比起已解决的问题，它们仍存在更多的问题而不能被商业上应用。最可能的方法是EDM，又称火花腐蚀加工，它有非常低的切片损失。

晶向

当进行切片时，必须按客户要求沿一个方向切割。所有的客户都希望硅片有一特定的晶向，无论是在一单晶平面还是如果特定的，与平面有特定数值的方向。在这样的情况下，就要尽可能使硅片的切割接近这一方向。一个与正确方向的小小偏离都会影响到以后器件的构成。一些制作过程要依靠晶向蚀刻，其它则需要基层的晶向准确。硅片晶向发生任何问题都会引起器件制造问题。因此，必须在切片开始时就检查硅片晶向的正确性。

当晶棒粘在切片机上时，以参考面为基础，将晶棒排好。然而，也不能保证切出来的硅片晶向正确，除非先切两片硅片，用X-ray机检查晶向是否正确。如图2.9所示，这个过程类似于单晶生长模式中的描述，除了衍射是针对硅片表面而不是边缘。如果硅片的晶向错误，那么就要调整切片机上晶棒的位置。切片机有调整晶向的功能。在正确的晶向定好之后，硅片的切割就可以进行下去了。

图2.9 X-ray衍射

碳板清除

切片完成之后，粘在硅片上的碳板需要清除。使硅片与碳板粘合在一起的环氧剂能被轻易地清除。例如，一些环氧能通过乙酸、水或加热来去除。操作时应小心，使硅片边缘不会碎裂，并且保持硅片仍在同一顺序。

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硅片的原始顺序必须被保持直至激光刻字。这样就能保证知道硅片在原晶棒中的位置。硅片的正确顺序是很重要的，因为随着单晶硅晶棒上的位置点的改变，硅的特性会改变。来自于晶棒底部的硅片与来自顶部的硅片相比，有不同的电阻率、掺杂剂浓度和氧含量。因此硅片的特性也就不同，确定硅片在晶棒中的位置是很必要的。

碳板从硅片上移走之后，硅片就能清洗了。因为这时候，经过了切片加工，正如所知道的，切片是很脏的过程，硅片上有大量有害物、环氧剂残留。残留在硅片上的物质、环氧剂相对较难清除，因此，应经过一个？清洗工艺。

激光刻字

经切片及清洗之后，硅片需用激光刻上标识。这一标识能提供硅片多方面的信息，并能追溯硅片的来源。硅片以从晶棒上切割下的相同顺序进行刻字，以保持硅片的顺序。标识主要用来识别硅片的，以保证每一硅片的所有过程的信息都能被保持并作为参考。如果硅片中发现一问题，知道硅片经过了哪些过程，在晶棒的哪一位置是很重要的。如果所有这些信息都能知道，问题的来源就能被隔离，在更多的硅片经过相同次序而发生同一问题前就能被纠正。所以，在硅片表面的标识是很必要的，至少至抛光结束。

激光标识一般刻在硅片正面的边缘处，用激光蒸发硅而形成标识。？标识可以是希腊字母或条形码。条形码有一好处，因为机器能快速而方便地读取它，但不幸的是，人们很难读出。因为激光标识在硅片的正面，它们可能会在硅片生产过程中被擦去，除非刻的足够深。但如果刻的太深，很可能在后面的过程中受到沾污。因此，保持标识有最小的深度但能通过最后的过程是很值得的。一般激光刻字的深度在175μm左右。这样深度的标刻称为硬刻字；标识很浅并容易清除的称为软刻字。

通常在激光刻字区域做的是另一任务是根据硅片的物理性能进行分类，通常以厚度进行分类。将与标准不一致的硅片从中分离出来。不符合标准的原因通常有崩边、破损、翘曲度太大或厚度超差太大。

边缘倒角

经过标识和分类后，进行边缘倒角使硅片边缘有圆滑的轮廓。这样操作的主要目的是消除切片过程中在硅片边缘尖利处的应力。边缘倒角另外的好处是能清除切片过程中一些浅小的碎片。

边缘倒角形态

硅片边缘的形状由磨轮形状决定。？因此，倒角磨轮有一个子弹头式的研磨凹槽。（见图2.10）

图2.10倒角示意图

硅片边缘的轮廓首先是由真空吸头将硅片吸住后旋转而完成的。硅片缓慢旋转，磨轮则以高速旋转并以一定力量压在硅片边缘。通过倒角磨轮沿着硅片边缘形状移动这样的系统来保持

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磨轮与硅片边缘的接触。这使得参考面也能通过磨轮进行倒角（见图2.11）。在硅片旋转几次之后，硅片边缘就能得到磨轮凹槽的形状了。

图2.11倒角磨轮沿硅片边缘运动图例

既然硅片的参考面也同时倒角，就有一些问题发生。一个问题是当参考面进行倒角时，可能会被磨去一点。因为参考面是在某些过程中用来进行硅片对齐，这个参考需要被保持。当前大多边缘倒角设备是凸轮驱动并有特定的路径，来替代硅片的？，这样，整个硅片边缘倒角时就不会发生任何问题了。

倒角磨轮

倒角磨轮是用来进行边缘倒角的一个金属圆盘，直径约为2-4英寸左右。磨轮约0.25英寸厚，有一子弹头式凹槽在圆盘边缘。磨轮的研磨表面是一层镍-钻涂层。

为了检查并保证倒角形状的正确，硅片边缘轮廓可以从高放大倍率的投影仪上看到。当从屏幕上查看倒角轮廓时，需启用一控制模板，重叠在硅片图象上。模板的放置使它与硅片图象相同比例。模板的放置显示了一个允许的区域，硅片必须与其一致。图2.12显示了硅片边缘轮廓与控制模板的双重图象。

图2.12倒角轮廓与叠在上面的控制模板图例

倒角原因

硅片边缘进行倒角有几个原因。一个普遍的因素是，与所有的改进一样，这样的边缘能使硅片生产和器件制造阶段都有更高的产率。在接下来的章节中，将讨论碎片和断裂的减少、边缘皇冠顶附生的消除、？

崩边和断裂

当进行硅片边缘倒角时，硅片边缘高应力点被清除。硅片边缘应力的下降使硅片有更高的机械强度。这有利于在处理硅片时对崩边有更强的抵抗力。已经证明在进行硅片处理时，经过倒角的硅片与未经过倒角的硅片相比，顺利通过流程而没有崩边的要多的多。而且，在有衬垫或圆盘在硅片表面移动的步骤中，如磨片和抛光时，没有经过倒角的，有尖利、粗糙边缘的硅片因对其边缘的撞击会造成崩边。而对于已倒角的硅片，即使有撞击等，也不会引起崩边。

外延边缘皇冠顶

当在硅片上生长外延时，外延层会在有微粒突出和高应力区域生长的更快些。因为在未进行

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倒角之前，这两种情况存在于硅片边缘，外延层就会趋向于在边缘生长的更快。这就导致在硅片边缘有小的隆起（见图2.13）。这个隆起称为外延边缘皇冠顶并且会在以后的器件制作过程引起一些问题。如果硅片的边缘已经倒角，就不会再有高应力点或微粒突起在边缘使外延层得以生长，这就有利于防止外延边缘皇冠顶的形成。然而，即使是这样仍然会在边缘有很小的生长，只是不会在硅片正面的外延层上形成皇冠顶，因为边缘是锥形的。

图2.13未倒角边缘的皇冠顶和倒角后的边缘外延生长对比

边缘光刻胶小珠子

当光刻胶应用到硅片时，是应用在旋转的硅片上，？在硅片上的涂抗蚀剂后，旋转速度会上升，这样使得在硅片上的抗蚀剂甩出，形成均匀一致的薄膜。问题是由于光刻胶表面的张力作用会在硅片尖利的边缘形成小珠。如果硅片没有进行倒角，小珠子就会粘在硅片表面；如果已经倒角了，小珠子就不会在硅片表面形成。在以前，边缘小珠子在接触印刷时是一个问题，但现在的工艺已使其不再成为麻烦。另外，防止硅片边缘产生这样的小珠子有利于得到更好的流动性能，因此，它仍是极重要的。

现对硅片生产过程中的切片、激光刻字和边缘倒角部分提出几个关联的安全问题。切片区域涉及到几个不同类的问题：有可能被暴露的刀片割伤；如果刀片失灵或者以某种方式弹出一些粒子，可能会伤害到眼睛。在硅片晶向检查时，要用到x-ray，因为有射线的，特别是大部分的射线会降低操作者的机能再生能力。在激光刻字区域，当设备运行时，激光的射线有可能射入眼睛。而在倒角区域，有可能被机器夹痛。

术语表

切片微损伤

切片微损伤（切片痕迹）是由刀片的振动引起的。在切片过程中，由于刀片的小小振动产生了这样的损伤，在沿着切口的方向留下小的脊状痕迹。

切片损失

切片损失是在切片过程中，因刀片会切去的材料损失的总量。

张力

张力是用来描述一种材料在负载下的伸展能力。从算术定义来讲，就是与原始长度相比，在长度上的变化程度。

应力

应力是指材料单位面积承受的力量。

swarf

切屑是指在切片开槽时，削去的材料。可以认为是切片垃圾。

抗张强度

抗张强度是指材料在未完全失效情况下，所能承受的最大压力。

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yield point

？指材料在没有永久变形情况下，能承受的最大压力。

练习：

2-1．切片方式的选择必须考虑晶棒的---（） a. 材料损失，损伤引入，平整度。

b. 晶棒尺寸，切片速度，使用哪种类型的etchant。 c. 切片方向，设备价格，晶棒掺杂剂浓度。 d. 碎片率，沾污，后来的抛光砂的使用。

2-2．切片过程中，碳板与晶棒的粘合提供了---（） a. 切片过程的润滑作用。 b. 切片过程中结构支持。 c. 切片过程的研磨材料。 d. 证明切片完成的好方法。

2-3．典型的内圆切片得到的切片---（）

a. 不管晶棒的直径有多大，都得到相同的宽度。 b. 沿着切片的区域没有任何损伤。 c. 比外圆切片得到更大的宽度。

d. 低的切片损失，较低的损伤，而且经济。

2-4．与内圆切割相比，线切割的一个有利之处---（） a. 线切割有研磨剂藏入线中；

b. 线切割不会引起硅片的任何损伤；

c. 相同尺寸的线能切割任何尺寸的晶棒； d. 线切割产生更大的切片损失。

2-5．内圆刀片---（）

a. 切割相同尺寸的晶棒，比外圆切割有更多的切片损失；b. 使用研磨砂来切割晶棒；

c. 通过张紧在一鼓上，使之很刚直；

d. 切割大直径晶棒比小直径晶棒有更小的切片损失。

2-6．线切割---（） a. 一般有很大直径的线；

b. 用一种莫氏硬度略低于硅的研磨剂； c. 压迫研磨砂于晶棒上进行切割； d. 典型的是使用许多线同时切割晶棒。

2-7．硅片需进行激光标识的主要原因是---（） a. 为吸杂工艺提供损伤；

b. 清除硅片表面的不完整物；

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c. 提供了一种能追溯硅片的手段； d. 为接下来的硅片分选提供帮助。

2-8．激光标识必须有足够的深度直至通过---（） a. 磨片以后； b. 腐蚀以后；

c. 硅片退火以后；

d. 所有硅片处理步骤结束。

2-9．硅片边缘倒角---（） a. 防止在后道工序中发生崩边； b. 减少硅片正表面的面积； c. 提供更可看的硅片形状； d. 增加硅片边缘应力。

2-10．典型的硅片边缘倒角---（） a. 通过冲击方法；

b. 通过一定形状的磨轮； c. 通过在酸浴中的浸泡； d. 通过在碱浴中的浸泡。

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磨片、热处理和相关工艺

目的：

通过本章的学习，能够：

1、能描述磨片的意义；

2、能描述双面行星式磨片机；

3、知道两种类型的腐蚀，比较它们的优缺点； 4、了解硅片的三种外吸杂工艺； 5、了解内吸杂的三个热处理步骤； 6、描述热处理对抵抗稳定所起的作用；

7、了解进行背封的原因并列出两种背封工艺过程。

经切片、标识和倒角后，就应准备抛光了。在硅片能进行抛光前，还需经过几个处理过程。首先，切片损伤必须被清楚，磨片能达到这一目的。接下来，硅片需要腐蚀，以去除磨片造成的损伤。吸杂工艺能抵消金属杂质的影响。硅片边缘的抛光能去除留在硅片边缘的腐蚀坑。然后进行硅片清洗和热处理，再退火以使抵抗稳定。背封工艺能随意采用，通过沉积在重掺杂硅片的背面以防止掺杂剂通常是硼在后面的热处理过程中的逸出。经过上述步骤之后，硅片就能进行抛光了。这里的每一步都将的下面进行讨论。

磨片

磨片是使用研磨砂来清除硅片表面的材料和前一步骤留下的损伤。在磨片过程中，在双面行星运动中硅片两面会被同时研磨，一定量的材料将被从两面磨去。在双面行星运动中，硅片绕着中心齿轮进行旋转，同时又在自我旋转。这样就使硅片能被均匀一致地研磨，因为硅片在不停地旋转。这个机械研磨过程磨去硅片的两面的材料。

目的

磨片的主要目的是将硅片的切片微损伤去除。切片微损伤是对单晶的损伤，来自于切片过程。这种损伤在硅片两面都有，因为硅片的两面都经过了切割。损伤的平均深度大约为25-30μm，但有些损伤可能是它的2-3倍深。任何工艺要去除这些损伤就至少要去除这样厚度的材料。一般，在硅片的两面都要磨去这些材料的量。大部分的磨片过程，在硅片两面磨去的量是相等的，在有些情况下，可能一侧的量要多于另一侧，通常是正面。

这个过程要清除切片损伤就需去除表面损伤部分的单晶，而且要尽可能地不引起另外的损伤。磨片的应用是因为它能磨去应去除的材料并留下小量的损伤。由于磨片过程总会留下损伤，就还需要另外的工艺。

双面行星式磨片

双面行星磨片机有五个主要组成：大的铸铁磨盘、载体、研磨砂、磨液供应系统和厚度测试系统。这些组成构成设备工作来清除在切片过程中造成的硅片两面的损伤。双面行星磨片的应用使硅片的两面能同时进行磨片。磨片机有齿轮式钢载体约比硅片厚0.005英寸。载体是圆形敞开式，比硅片的直径略大。硅片放置在这些载体的洞里，并放在底部磨盘上。载体上的齿轮和磨盘中心的齿轮配对，并且绕在磨片机的外侧的链条行进。无论是中心齿轮还是外部的齿轮都能旋转，为载体的旋转提供了宽阔的范围，见图3.1。

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图3.1磨片机俯视图

图3.2磨片机侧视图

磨盘的组成

磨盘一般由铸铁制成，但也可能是塑料制的。不考虑金属的沾污，使用铸铁可以耐用而且其机械特性能适合磨片。铸铁的硬度使研磨颗粒不会嵌入到盘中，如果颗粒嵌入到磨盘中，就会刮伤硅片表面。这些刮伤在后面的工序中很难去除，铸铁的磨盘也不能太硬，如果磨盘太硬，它会压迫研磨颗粒进入硅片，使硅片增加额外的损伤。铸铁材料应有一合适的硬度来制作磨盘使颗粒能均匀地对硅片进行研磨。这个过程总会在表面留下损伤，但这种损伤很均衡，且在后面的过程中也容易去除。

磨片过程对硅片的最终平整度有很大的影响，因此，磨盘必须很平整。为了保持硅片和磨盘的平整度，磨盘和载体的转速需要很好地控制。另外，随着磨片机其它各部件的运转，转速反过来又有利于磨盘平整度的维护。

磨盘表面和磨液供应

磨盘是带齿轮的，齿轮有利于磨液的均匀分配，防止磨盘被淹没，并保持硅片紧贴表面。齿轮还能使磨液在硅片表面流动并均匀分配。如果磨盘上没有齿轮，磨液可能会流到磨盘上，如果磨盘与硅片间有太多的磨液，磨盘会浮在硅片表面的液体上。如果磨盘浮的里表面太远，就不能研磨表面，也就不能将硅片表面的损伤去除掉。如果在磨盘与硅片间的磨液太少，磨盘就会在硅片表面引起新的损伤。所以，齿轮演绎这样一个功能，即控制磨盘与硅片表面间的磨液量，并且上磨盘的齿轮能将下磨盘锁住。这样防止在磨盘最终分开时，硅片粘在上磨盘上。

磨盘旋转计数器

上下磨盘按相反方向旋转，磨盘的旋转带动硅片两侧以同样的速度旋转。这有两个目的，首先，既然硅片的两侧都以相同速度进行磨片，那么两侧都有相同的材料去除率。第二，硅片两侧有相同的转速相反的方向使硅片能固定位置。所以没有大的压力向一个方向移动硅片或另一个方向。硅片几乎不会因边缘的压力造成断裂。

上磨盘还有另外几个功能，首先是它有一些洞使磨液能流入磨片机。磨液从上磨盘流入，然后流入到机内。另一个功能是上磨盘提供压力给硅片，上磨盘通过气压下降压下，在磨片的第一个循环中，压力比较小，使硅片上高起的点先被磨去，使磨液均匀分配在机内。然后，

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压力逐步上升到正常操作的压力。

硅片的最终厚度应被控制，否则会不符合硅片要求的特性。因为误差容许量在微米极，所以机械的控制需相当精确。有几种控制硅片最终厚度的方法，如控制磨片时间，有一压电装置同硅片一起研磨，或者旋涡电流测试。

硅片厚度

如果决定磨片的最终厚度通过磨片时间来控制，那么应先得到设备预期执行时间。使用这种方法，是基于以往的磨去率，计算要磨去正确材料量所需时间，然后，允许磨片机开始按这一时间进行磨片。用这种方法，要得到正确的硅片厚度很困难。这是因为每一轮的磨片条件并不相同，所以，为了更精确地控制磨片厚度，希望在磨片机上装一个厚度测试系统。一种能在磨片时测试硅片厚度的方法是通过使用一压电材料与硅片同时研磨。因为压电材料的磨去率与硅片的相同，电讯号的频率就会发生变化。当频率对应到设定的厚度时，机器就会停止，必须指出的是，每次磨完以后，必须将压电带放回原处，这样才会反映出硅片的厚度。

另一种方法是使用旋涡电流传感器，磨盘之间的距离能通过位于上磨盘上的传感器测量到。这种传感器依据上下磨盘间的间隙距离发出信号。所以，要决定硅片的厚度，研磨砂的厚度和磨盘的磨损量必须也考虑到。

硅片表面的去除

使用一种含研磨砂的悬浮液组成的磨液来研磨硅片表面。典型的研磨砂是由9μm大小的经煅烧的氧化铝颗粒组成。这种颗粒悬浮在水和添加剂的混合液中，添加剂一般为丙三醇（甘油）。混合液有利于保持研磨砂的悬浮并均匀散布。

悬浮液中的研磨砂压迫硅片表面并使其磨损，去除硅片表面的物质，这样能将表层的切片损伤清除掉。整个过程会磨去75-100μm的表层。在最终磨片结束时，硅片的平整度是最平整的，以后的步骤都会使其平整程度下降。

磨片之后，硅片表面残留有许多磨片过程中产生的硅的颗粒，这种颗粒尺寸很小，并会引起一些问题。如果要烘干硅片，颗粒会粘在硅片表面，而一旦这样粘住，就很难再去除掉。所以，硅片必须保持湿润，直至表面颗粒被清除。

硅片研磨—可选择的过程

磨片的一个可选择的过程是硅片研磨。在这个过程中，硅片用一旋转的真空吸头固定住，一个钻石磨轮会经过硅片。会周期性更换有更小尺寸磨砂的磨轮，这样在研磨的一开始，能快速去除大量含损伤的表层材料，同时磨砂也会造成相对多的损伤，但不会象原始的那样多。然后，磨砂尺寸减小，研磨率也降低，几乎不会引起表面损伤。

然而，这种方法有几个不利之处，第一个问题是既然硅片被真空吸住在一定位置，那么一次只能研磨硅片的一侧；另外的缺点是磨轮在移动，没有方法防止磨去小量不该磨去的平面，这样，很难使硅片在设定误差范围内。

这里有研磨的另一种方法，能更好地符合硅片的平整度和厚度要求。取代用磨轮移动经过硅片表面，使磨轮始终盖住硅片中心，这样使整个旋转的硅片表面都与磨轮接触而不需要移动磨轮位置。然而，这也有一些问题如这种方法的一致性，以及它的产出率很低。

应力释放腐蚀

硅片磨片之后，仍有一薄层损伤层。因为磨片只是用来磨去大多数的切片损伤，总会留下一层薄薄的均匀一致的损伤层，还需通过其它方法来清除磨片带来的损伤。通常通过化学腐蚀

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硅片表面的方法来清除这种损伤。腐蚀的方法有两种：碱腐蚀和酸腐蚀。这两种方法都在使用，而且都有各自的优缺点。

当硅片进行腐蚀时，需要有一清洁的表面。如果硅片表面有沾污，会潜在地充当了腐蚀的面具。当进行酸腐蚀时，酸先与表面的颗粒接触，将其慢慢腐蚀去除，因此就象一张面具影响了酸与硅快速接触。这就会使该区域与硅片表面其它区域腐蚀程度不一致。所以，硅片在腐蚀前必须进行清洗。典型的清洗方法是将硅片放在Teflon的片盒中，浸入含H2SO4和双氧水的溶液中，这会清除硅片表面的有机物；然后将硅片浸到氢氟酸中，HF会清除表面任何的硅末；在硅片进行清洗后，就可以进行腐蚀了，而且会腐蚀得均匀一致。

碱腐蚀

硅片腐蚀的一种方法是使用碱性氢氧化物如氢氧化钾（KOH）。用这种方法，硅片浸在45%的KOH和55%纯水的溶液中大约2分钟，通常在高温（约100℃）KOH溶液中。然后，再将硅片浸入纯水以阻断KOH与硅片表面之间的继续反应。 KOH与硅片的基本反应如下：

Si + 2H2O + 2KOH → 2H2 + Si(OH)2(O)2 +2K+

KOH的热溶液从其既定的方向侵蚀硅片，以平行于（100）平面方向速度最快，平行于（111）平面的方向最慢。因为大量的硅片在生产过程中是平行于（100）面的，所以用KOH腐蚀很适合硅片。当KOH缓慢侵入材料时，它正快速腐蚀与（100）平行的平面，使硅片表面物质快速被清除。这样的操作使硅片表面腐蚀后，仍平行于（100）面。所以，整个硅片参考面不会受碱的影响，反应是一个相对自限制过程。

自限制过程

这个过程称为相当自限制过程是因为KOH能到达的硅片任何损伤区域会快速腐蚀，然后当达到无损伤表面时，反应几乎停止。请看KOH相关的反应速率与时间的比（图3.3）。当KOH与硅片接触时间更长时，反应速率几乎趋向于零。所以，KOH腐蚀只会清除硅片表面的损伤及最小量的剩余表面层，除非KOH与硅片接触时间极其的长。由于这个原因，KOH更适合腐蚀（100）向的硅片。

硅腐蚀坑

当硅片表面有损伤时，损伤区域不再是完整的晶体结构。KOH能快速腐蚀损伤层，直到达到一无损伤平面，这个反应会在硅片表面形成一个小的腐蚀坑。然后，腐蚀会沿平行于（100）平面方向快速反应，这些腐蚀坑开始向旁边扩展。KOH只会腐蚀暴露在蚀刻剂下，有晶格损伤的区域，掩埋在里面的损伤不会被侵蚀到。这就使KOH只适合于表面损伤。

考虑（100）平面，腐蚀坑的坑壁形成角度接近于54.7°，坑的平均深度为10-15μm。因为腐蚀剂对暴露的损伤区域侵蚀速度快，所以有很多损伤的区域形成的腐蚀坑最深。这些腐蚀坑是一个问题，因为它们太深以致在后面抛光时无法去除。这些腐蚀坑还会因为颗粒陷入而使硅片表面无法清洁。

因为硅片边缘进行过倒角，存在许多损伤。KOH很快侵蚀这些区域，随着倒角边缘的连接，导致许多不同形状的腐蚀坑的出现。硅片的边缘腐蚀坑会给生产环境带来问题，因为它们会使颗粒陷入进边缘。一些边缘区域可能在腐蚀坑间突出，这些突出可能引起麻烦，因为它们可能会断裂产生小颗粒或者磨损片盒产生颗粒。

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图3.3 酸腐蚀

腐蚀的另一个方法是酸腐蚀。用于酸腐蚀的一般混合物是HNO3和HF。有时，还使用另外的化学品，如乙酸或碘，添加到混合物中使反应更能控制。在任何情况下，酸腐蚀是一个强烈的过程，而不会在某个平面存在自限制过程。酸浴的局部腐蚀速率会因局部化学品的损耗而变化。因为硅片的周围都在竞争酸液，硅片中心有腐蚀剂不充足的趋向，这会使供给硅片中心的酸液损耗，反应稍微降低。另一方面，靠近硅片边缘处，没有如此多的硅来竞争酸液，因此有充足的酸液提供，这就使反应速率在硅片边缘处达到一较高速率。这种在腐蚀速率上的差异会引起硅片象“枕头”，换句话说，硅片中心厚度略厚于边缘。

图3.3显示了典型的酸腐蚀和碱腐蚀的腐蚀速率的相互比较。可以看出，只要两者接触，酸腐蚀就一直维持在较高速率。所以，酸腐蚀必须被监视并非常精确控制在合适的硅片完成之时。另一方面，当碱液与硅片表面一直接触时，碱腐蚀速率会显著下降，这就使碱腐蚀在这类腐蚀中有优越的特性。碱腐蚀一开始的速率是由于硅片表面大量的损伤引起的。

酸腐蚀（HNO3和HF）的基础反应如下： Si(s) + 4HNO3(l)→ SiO2(s) + 4NO2(g) + 2H2O(l) SiO2(s) + 6HF(l)→ H2SiF6(aq) + 2H2O(l)

这个反应的一个产物是NO2，是一种气体，所以，必须采取预防措施控制它的释放。为了满足环境法律，NO2通常会用化学淋洗来消除它的释放。

两种腐蚀方法都有各自的优缺点，每种方法都有一些公司企业在运用。腐蚀剂的选择主要依赖于最终硅片需要的特性。表3.1列出了碱腐蚀和酸腐蚀的优缺点。

碱腐蚀酸腐蚀

优先腐蚀没有优先腐蚀

表面有腐蚀坑无腐蚀坑

同一批腐蚀速率不变（化学量固定）变化的腐蚀速率

自限制，易于控制非自限制，难控制

有一平整表面会引起“枕头”形

不会对环境释放有害气体会释放有害气体，必须净化

表3.1 碱腐蚀与酸腐蚀的比较

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吸杂简介

吸杂是一个将杂质和一些会延伸的点缺陷从硅片的器件制作区域移走的过程。最重要功能的是移走金属杂质，如金、铜、镍、铁等等来自硅片正表面—器件制作区域。金属杂质会降低影响器件性能的少数载流子的寿命。如果陷入，金属原子还会形成缺陷中心，使器件性能等级下降。所以，吸杂在半导体工艺中是一个重要的过程。吸杂的起源在真空管时代，小量的钛被引入到真空管将其剩余的氧吸走，形成二氧化钛（TiO2）。吸杂可广义地分为两类：

1、外吸杂 2、内吸杂

两种吸杂类型被用来移走硅片器件区域的金属残留物。随着硅片厚度的上升，低温制作器件过程和更短时间限制，内吸杂变得更为重要。

外吸杂

外吸杂是通过从外界导入一有效方法来完成。可以有不同手段，如： a. 背损伤

b. 背面薄膜淀积（主要为多晶硅） c. 背面重磷扩散

背损伤

对硅片背面进行损伤使之产生缺陷，如晶格位错和重金属杂质陷落到这些高应力缺陷位置。如果背损伤的硅片经高温处理，大量的可移动的金属离子会在各个方向移动，最终在背面诱陷。位错也会吸引硅晶格中的点缺陷，点缺陷在单晶拉制时发生，在高温（＞1000℃）下移动。当他们到达位错位置，就会被固定不动。这个过程的缺点是如果硅片在高温下经很长时间，一些损伤可能会退火，使金属重又进入硅片。

背面可以有多种损伤方法，这些机械手段如喷砂，适当功率的激光照射及使用滚刷或铁笔摩擦背面。图3.4是用滚刷和铁笔进行背损伤的示意图。

图3.4背损伤 (a)铁笔 (b)滚刷

通过机械手段进行背损伤的评定参数是导入损伤量。再制这样的损伤是很困难的。一种测量损伤量的工艺是使用反射体来测量着色表面的反射率。这类的损伤应在隔离区域进行，因为该过程会产生很多脏的颗粒。

激光背损伤是一个更能控制和清洁的过程。然而，这是一个很慢的过程，因为激光束要扫描硅片表面以达到一个很好的覆盖。激光的照射会融化硅片表面，熔融物会流入硅片，当它再结晶时，热应力会因位错的产生而释放。如果这些位错是热稳定的，在以后的高温处理过程中如氧化，它们会作为金属杂质沉积下来。无论位错是热稳定与否，都依赖于激光损伤的深度，与激光功率有直接关系。据观测，要能成功吸杂，激光功率需在15J?cm-2或更大些。背损伤的另一方法是离子灌输。当离子刺入硅片表面时，会将损伤引入格点。这种晶格损伤会作为金属离子的吸杂点。

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薄膜沉积

多晶硅或氮化硅（Si3N4）的薄膜淀积在硅片背面能移动金属离子。淀积后，硅片在高温下退火，当金属离子移动到淀积薄膜的边缘时，会被诱陷，这样就能阻止其回到硅片正面。该工艺在外延沉积后也被用来硅片吸杂。

背面n型重掺

硅片的背面n型重掺也可作为吸杂陷阱。在一些器件制作过程中，大部分会使用这一方法，因此，任何其它的吸杂步骤都不需要了。例如，制作npn晶体管的发射极扩散时，未被保护的背面会自动重掺。同样，在n型沟道MOS器件的源扩散时也是如此。

内吸杂

内吸杂是由在热处理过程中氧原子影响形成的位错环产生。氧原子需有最小浓度，才能产生吸杂。其浓度约为1×1018atoms?cm-3。通过CZ法拉制出的硅单晶至少有这个氧含量。然而，用FZ拉制的硅单晶一般小于此浓度，在这种情况下，就不能提供内吸杂。当晶棒从硅熔融物中CZ法拉制时，会有大量的氧从融化物中释放出来。在这个过程晶棒的温度下，氧仍在饱和状态。但当晶棒冷却到室温时，氧会过度饱和，大部分的氧会占据空隙位置，并且不再活动。

步骤

通过氧来吸杂有三个步骤。第一步是将硅加热到1100℃，使得在接近硅片表面形成一氧的耗尽层，称为耗尽层，器件就建立在正表面的这一区域上。显然，整根晶棒无法进行内吸杂，只能对单片硅片。整个过程可看作几个步骤的整体或者可从供应商处购到已吸杂的硅片。第一步的加热温度是很重要的。在这温度，氧能从表面逸出因为硅片和外部的氧浓度的不同。可以观测到，如果温度低于1000℃，氧就会形成团，称为成核现象，和外扩散一起。在这阶段避免成核是很重要的，因为在活跃的器件区域会引起位错。图3.5是耗尽层形成示意图。

图3.5硅片中耗尽层的形成

第二步是将硅片冷却到约650℃。在这过程中，氧开始成核，耗尽层仍不受影响，因为氧含量没有足够高到成核的程度。

在第三步中，硅片加热到1000℃左右，在此温度上，晶核开始生长并且最终形成淀积和推垛层错。它们为金属杂质提供了吸杂点。淀积物有化学名为SiOx，x值接近于2。所以也称为氧化淀积。

氧化淀积层是大量氧原子与硅原子束缚在一起的集合。尽管少量的氧集合作为n型施主会活动，当它继续生长时就变得稳定了。所以内吸杂不会影响硅片的电阻率。吸杂的另一重要事项需记住就是尽管氧淀积会吸引金属杂质，但降低了硅片的机械强度，在热处理时易造成弯曲或翘曲。间隙氧增强了硅片的机械强度。所以，当进行内吸杂时，必须知道这个关系。

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镜面边缘抛光

硅片腐蚀并进行吸杂后，硅片边缘可以进行抛光。有时进行边缘抛光是为了清除腐蚀过程留下的边缘腐蚀坑。这个过程不一定必须做。但进行边缘抛光有利于防止碎片或在后面的过程中产生裂纹。这一步骤完成使硅片边缘更均衡一致。另一个好处是在后道生产工序—HF清洗硅片时防止胶状硅粒飞跑形成条纹。

镜面边缘抛光方法是一个化学/机械过程。边缘的抛光是通过真空吸头吸住硅片以一定角度使硅片的一侧边缘几乎垂直与抛光盘贴住。然后，抛光盘旋转，硅片边缘也随着一个鼓旋转。这个鼓表面贴有一种树脂抛光衬垫。当硅片与抛光衬垫接触时，还会在上面添加抛光砂。吸头吸住硅片然后慢慢的开动使硅片的边缘都充分与抛光衬垫接触得到抛光。硅片一侧边缘被抛光后，将硅片翻转，然后对硅片的另一侧以同样方式进行抛光。两侧完成后，硅片必须彻底清洗以清除残留的抛光砂。

在边缘抛光时使用的抛光砂是由胶状硅粒悬浮在水中组成，有高的PH值的化学物。高的PH值能氧化硅，然后硅粒又形成的氧化物去除。所以，这个过程是一个化学/机械过程，能得到非常光滑的表面。

抵抗稳定

硅中的氧溶解

硅单晶棒，作为一个结果，硅片从晶棒上切割下来，还有一重要参数—氧含量。CZ法生长的单晶氧含量接近10cm等级。氧主要来自于硅融化时石英坩埚缓慢而稳定的分解。一部分的氧从熔融的SiO中分解逸出，但有一定量的氧与生长的晶体结合。由于熔融物和晶棒的旋转以及随着时间的推移，熔融物量的减少，氧含量沿着晶棒的长度方向会显示出一特性。在一般的生长条件下，晶体在籽晶末端有较高的氧含量，并沿着长度向下含量减少。

氧施主

可以观测到，单晶棒会经过一定的热条件，一些氧原子会作为施主或者说n型掺杂剂。这种掺杂剂的增加会扰乱既定的电阻率。在某些情况下，甚至掺杂剂的性质会发生改变，从而使p型晶棒转变为n型晶棒。

如果晶棒或硅片在300℃-500℃温度范围内，硅中的氧原子会扮演施主的角色，450℃是最起作用的温度。整根晶棒的剖面浓度分析，从顶部至底部，施主的浓度或氧含量呈下降趋势。但这其中的原因有所不同。当晶体生长时，籽晶末端从热场中提升，所以，它要在较低的温度下呆更长时间，在某点上很可能温度范围在300℃-500℃内。因此，比起末端有更多的氧施主参与。

图3.6磷掺杂的硅中氧施主

磷是n型掺杂剂，并且氧施主提高了掺杂浓度。应注意的是，籽晶末端的晶体包含了最高的氧含量，因此，在这端的n型掺杂剂浓度也更高。图3.6也显示了热处理后的施主浓度，即在大部分氧施主不再活动后，磷的浓度。

在CZ法的早期，晶体或熔融物的不旋转的晶体生长中，可以观测到热氧浓度较少。但这种方法现在不被承认，因为现在几乎所有的硅单晶生长都要旋转晶体或熔融物。

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施主氧的存在从1954年开始，氧施主的存在就被承认了。曾作了很多尝试去了解从惰性氧形成施主的机制，以及这种氧与其它原子是怎样结合的。甚至到今天，整个过程也不是非常清楚地理解。施主结构的大部分明显的点中，一些氧原子在替代位置而且每个这样的氧原子都有三个间隙氧原子，即每个施主组合包含四个氧原子组成的基团。图3.7显示了硅中施主氧的一种可能结构。

图3.7硅中施主氧的一种可能结构

在本章陈述中，替代位氧原子已被双重电离。因为氧有6个外层电子，它的四个电子能与硅原子形成四根键，而另两个电子施与了晶体导带。所以，四个氧原子中，只有替代位的氧原子起施主作用。

碳的影响

碳在单晶硅中存在抑制了热氧施主的形成。硅中的一些碳原子会占据替代位而替代氧，结构如下（图3.8）。

图3.8碳替代氧施主

因为碳有四个电子，所以与四个硅原子结合后，不会有额外的电子。当碳含量在5×1016atoms?cm-3或更高时，这个效应就会发生。

热施主的消灭或抵抗稳定

当含有氧的热施主的硅单晶加热到500℃以上时，更多的氧会扩散进入成为施主，氧的基团生长的更大。最后会生长的足够大到形成沉淀物。这个效应大约在650℃左右时发生。沉淀物就不再显示出施主的特性。所以，如果晶棒加热到650℃，施主浓度会戏剧性地降低。习惯上，在加热到650℃以后，晶棒急冷至室温。急冷能将沉淀物冻结在晶格内，防止它们再度活跃成为施主。

问题是当在器件制造时，单晶硅总会被再加热到300℃-500℃范围，仍存在氧沉淀物重回施主状态的问题。经发现，施主消灭的过程是不可撤回的，这就意味着一旦氧施主沉积，施主浓度就不会再显著上升，甚至在其被再度加热时。

在热处理之前清洁硅片的表面去除金属沾污物的颗粒很重要，因为热处理时的炉温会使金属扩散进入硅的内部。金属会降低少数载流子的寿命，影响器件性能。

热处理前清洗

热处理前清洗可以以几种不同方式进行。一种典型的方法是使用SC-2洗液来去除金属沾污，然后将硅片浸入已非常稀释的高纯HF溶液中去掉氧化层。另一清洗方法是先用硫酸（H2SO4）和双氧水（H2O2）的混合溶液清洗。这种溶液以剧烈溶剂著称，能去除硅片表面大部分的有

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机污物和某些金属离子。同时，该溶剂能氧化硅片表面，一些金属离子（如铁和锌）会在氧化层生长时被氧化。然后硅片浸入到已稀释的高纯酸液中，去除氧化层。金属沾污也就随着氧化层的清除而被去除掉了。硅片进行纯水漂洗和甩干时，表面本质上已无金属离子存在并能放入炉子进行热处理了。

热处理

抵抗稳定过程只要用到炉子。这样做是为了避免其它过程的交叉污染，如扩散或化学气相沉积（CVD）。

抵抗稳定的关键参数是温度和时间。晶棒或硅片必须加热到650℃左右，然后进行急冷。更长的冷却时间会使沉积的氧原子再度活跃，至少是部分氧原子会重新成为施主。急冷的标准是在炉子外面用气流吹。硅片尺寸到100mm的，整根晶棒可以进行退火，但随着硅片尺寸增加，对用气流来进行急冷来说，晶棒的热能可能太高。硅片尺寸150mm时，整根晶棒进行退火是不实际的，因此，将分立的硅片进行热处理。

硅片放置在清洁的石英舟中，然后放入石英炉内预热至650℃。加热过程约20-30分钟，通氮气。氮气为热处理提供了一个经济又惰性的气氛。这个过程结束后，将硅片从热的炉子中拉出，暴露在外面的空气中，温度会快速经过450℃的临界温度范围，足以将氧保持是冻结状态。如果整根晶棒热处理，将它放置在一石英载体上后，放入炉子。

理论上，热处理可以在器件制作前的任何阶段进行。但通常在早期进行，在晶棒阶段或切磨片之后马上进行，如此，可以确保硅片最终能满足顾客的电阻率要求。

氧施主

经观测，硅进行任何的热处理，温度在500℃-900℃范围内，新的氧施主开始出现。氧施主的这个效应在450℃左右时，不会发生。根据一些资料，进行抵抗稳定时，要防止这类施主的产生，可以通过快速热处理过程，硅在650℃维持几秒钟而达到。

外延沉积的硅片是重掺杂的。这是因为外延沉积的目的就是要以重掺硅为基础，再在其上部生长一层轻掺杂单晶硅。例如，在n型重掺的顶部生长p型轻掺杂单晶硅制作一个n型的MOS电路。在外延生长过程的温度上，一些掺杂剂会从重掺基层外扩散与流动的反应物混合。当外延层在硅片正表面生长时，这个效应会减弱，但硅片背面的外扩散仍在继续。

自动掺杂的诸多问题，以及怎样防止或弱化它们将在外延沉积一章中重点讨论。所以，这里只作简单介绍。

有几个途径避免或弱化自动掺杂。扩散是一个依赖温度过程，随着温度的下降，扩散率指数下降。因此如果在较低温度下进行外延沉积，自动掺杂的效应会减弱。

另一个方法是低压外延生长。因为不能轻易地通过边界逃逸，混合有外扩散出来的掺杂剂的气流一般滞留在接近于硅片的表面处。在低压下，就能很快从硅片表面处逃逸。

阻止自动掺杂的最好方法是至少在硅片背面用某种薄膜进行背封。一些不同的处理方法被采用。硅氧化层（Silox）、多晶和氮化硅薄膜常用作背封材料。当多晶硅作为背封材料时，它也还可成为外吸杂。

Silox

通过化学气相沉积在硅片背面淀积一层5000?-9000 ?厚度的硅氧化层。有几个不同的反应来完成。一是称为？或TEOS的Si(OC2H5)4的热分解。如果这种化合物在缺氧氛围中加热，会发生以下分解。

Si(OC2H5)4→ SiO2 + 4C2H4 + 2H2O

氢化硅（SiH4）是用来进行CVD的最普通的材料之一，它与氧气一起在炉内的反应如下：

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SiH4 + 2O2→ SiO2 + 2H2O

在背封时，硅片面向下放在基座上，将沉积材料覆盖在背面与硅片边缘一样大小。在正面进行外延沉积时，边缘的覆盖会引起一些问题，如图3.9所示。

图3.9背封时的边缘覆盖及其最小限度

在图3.9(a)中，可以看到背封延伸覆盖住了硅片正面，接近它的外延层趋向于无定形。这会减小有效硅片面积，因为器件不能建立在无定形硅上。

避免这个问题的一种方法是背封后，进行硅片边缘抛光，这样边缘就不再有无定形材料。如图3.9（b）所示。另一个方法是在进行背封时，用一面具罩在硅片边缘，避免边缘被沉积材料所覆盖。图3.9(c)显示了这个方法。面具就象衣领一样饶在硅片边缘。第三种方法这里没有显示，就是在硅片上生长氧化层以完全覆盖硅片。而后，正面的氧化层可通过上面流下的HF淋洗来去除。第四种方法也没有显示，硅片边缘与滚轴接触并使用HF溶剂，将SiO2从边缘处溶解下。

多晶

在背面沉积多晶防止自动掺杂和捕获硅片体内的重金属。在高温下，一些多晶硅会被氧化，但不会降低它的吸杂能力。

氢化硅（SiH4）源通常用来作为多晶。高温下，硅土热分解反应如下： SiH4→ Si + 2H2

在低压CVD（LPCVD）中，可在650℃左右沉积。这个温度在无定形和单晶硅沉积之间。表面再结晶的过程通过一些过程如离子注入来补偿。基体通常在惰性气体或氢气的氛围下加热，热量的提供有利于驱逐（基体和注入物）原子移动占据有序晶格点。一旦退火后，掺杂剂就表现出电活跃性。

通过在高温下的扩散过程，实现硅片表面层氧的耗尽。

练习：

3-1．磨片过程的主要目的是---（）

a. 在硅片的两侧增加一均匀的损伤层； b. 使硅片表面平整； c. 去除硅片的微损伤； d. 高度抛光的硅片。

3-2．双面行星式磨片机---（）

a. 使用极其平整的磨盘和一种研磨砂； b. 使用贴有研磨砂的磨轮；

c. 提供了一个极其清洁的磨片操作； d. 在磨片时，保持硅片在固定位置。

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