单晶多晶硅片生产基本工艺作业流程详解Word下载.docx
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内圆切割，切割位置在刀片表面。
刀片是由不锈钢制成大而薄圆环。
刀片内侧边缘镀有带钻石颗粒镍层。
这一钻石-镍镀层提供了用来切割晶棒表面，对于150mm硅片，每刀用时3分钟。
内圆刀片组成和厚度
对一经典内圆刀片，其中心部位由约0.005英寸不锈钢制成，镍-钻石涂层是不锈钢刀片边缘两侧约0.003英寸。
内圆刀片内侧边缘总厚度约为0.0125英寸。
这么，材料损失厚度略大于刀片最厚度，大约在0.013英寸左右。
镍-钻石涂层厚度是内圆刀片一个关键参数。
很显著，这一厚度越小，刀片损失也就越少。
不过，假如涂层太薄话，刀片切下路径太窄，刀片可能会有更大潜在可能冲击边缘，假如刀片发生任何偏差而撞击到边缘，硅片就会受到损伤，在接下来步骤中就需要去除更多材料。
所以，有一个最适宜镍-钻石涂层能得到最低材料损失。
不锈钢有高延展性能许可刀片有很大张力，这种强张力能使刀片绷很紧很直，从而在切割时能保持刀片平直。
另一个有利之处就是它很耐用，能额外使用同一刀片而不需更换，从而使硅片生产成本降低。
这是很关键因为更换一把刀片需耗时1.5小时左右。
对于相同尺寸晶棒，有一个措施能减小刀片尺寸，就是在切割前将晶棒滚圆。
这个安排有利之处于于内圆切片时，只要经过晶棒二分之一旅程，所以，不需要如此大直径。
但它会造成碎裂并使硅片中心产生缺点。
伴随晶棒直径增大，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，会引发很多损伤。
这一过程会造成硅片产生很多细微破裂和裂纹，这种损伤层平均厚度约为25-30μm。
这么损伤存在于刀片和晶棒接触任何地方。
因为切片接触是硅片表面，所以硅片表面存在着很多这么损伤，这就意味着在接下来过程中必需清除掉这些损伤，硅片才会有用。
刀片偏转
硅片弯曲和厚度偏差关键根源在切片过程。
影响硅片形状最关键原因是切片过程中刀片偏转。
假如刀片在切片时发生振动，那么很有可能在刀片所在一侧损伤层会比另一侧更深。
不一样是，因刀片振动引发损伤称为切片微分损伤。
碎片（刀片退出时）
不管任何方法，当刀片切割某种材料立即完成时，刀片在材料底部时，可能会引发材料碎裂，这种现象称为exitchip。
碎片发生是因为在切割最终阶段，在材料小区域中存在高局部应力。
当连续施加相同大小压力在越来越薄材料上，材料就无法再承受这么压力。
这片材料就开始断裂，材料碎片就会松散。
最小程度（碎片）
有两种方法预防碎片发生，一个方法是在最终阶段，减小刀片施加在硅片上压力。
在最终，能够经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。
外表面额外材料增加提供载体有利于切片完成。
这么就降低了硅片较薄边缘压力，硅片也不会碎裂了。
有一预防碎片系统可供选择，能够消除任何碎片发生。
就是使晶棒直径生长稍大一点，那么在切片时，即使发生碎片，滚磨去碎裂处，仍有足够材料。
这种方法应用使晶棒直径大1.3mm左右。
切片以后，多出材料就会被磨去。
除了内圆切割外，还有线切割。
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钢线上，钢线会产生压力压迫研磨剂和晶棒接触，这么在砂浆和晶棒间压力接触使材料被磨去。
线切割基础结构很简单，一根小直径钢线绕在多个导轮上使钢线形成梯形形状。
导轮上有凹槽能确保钢线以一定距离分隔开。
一根连续钢线集中绕导轮一个个凹槽上，形成很多相同间隔切割表面。
线之间空间决定了想要硅片厚度。
钢线移动由线轴控制，整个系统只有一根钢线。
线两端分别绕在线轴上，晶棒慢慢向上（下）移动，穿过钢线，钢线能从晶棒上同时切割下很多硅片。
如150mm硅片，整根晶棒切割完成只需约5-8小时。
经典线切割机使用钢线直径约在0.006英寸。
这么小尺寸所造成切片损失只有0.008英寸。
单根线通常有100km长，绕在两个线轴上。
如此长钢线应用使线单个区域每次全部不会和砂浆及晶棒接触很长时间。
这种和砂浆接触时间降低有利于延长钢线寿命。
经典钢线进给速度在10m/s（22mph），即一根100km长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。
钢线必需保持一定张力能压迫砂浆中磨砂研磨晶棒，并预防导轮上钢线进给错误。
线切割机钢线和晶棒接触，而砂浆沉积在钢线上。
砂浆由碳化硅和油混合而成，或其它部分类似坚硬材料和液体混合物。
经过钢线带动，砂浆会对晶棒缓慢研磨，带走晶棒表面少许材料，形成凹槽。
钢线不停移动将凹槽中材料不停带走，在钢线完全经过晶棒后，砂浆仍随钢线移动。
线切割问题
有两种关键失效模式：
钢线张力错误改变和钢线断裂。
假如钢线张力错误，线切割机就不能有效进行切割了。
钢线有任何一点松动，全部会使其在对晶棒进行切割时发生摇摆，引发切割损失，并对硅片造成损伤。
低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错误切割或使钢线断裂。
在切割过程中，钢线可能会从一个凹槽跳到另一个凹槽中，使硅片切割进行到二分之一。
钢线也可能因张力太大，达成它所能承受极限，造成钢线断裂。
假如钢线断裂，可能对硅片造成损伤，并使切割过程停止。
断裂钢线还可能造成众多硅片断裂。
晶向
当进行切片时，必需按用户要求沿一个方向切割。
全部用户全部期望硅片有一特定晶向，不管是在一单晶平面还是假如特定，和平面有特定数值方向。
就要尽可能使硅片切割靠近这一方向。
部分制作过程要依靠晶向蚀刻，其它则需要基层晶向正确。
硅片晶向发生任何问题全部会引发器件制造问题。
所以，必需在切片开始时就检验硅片晶向正确性。
当晶棒粘在切片机上时，以参考面为基础，将晶棒排好。
然而，也不能确保切出来硅片晶向正确，除非先切两片硅片，用X-ray机检验晶向是否正确。
假如硅片晶向错误，那么就要调整切片机上晶棒位置。
切片机有调整晶向功效。
碳板清除
切片完成以后，粘在硅片上碳板需要清除。
使硅片和碳板粘合在一起环氧剂能被轻易地清除。
操作时应小心，使硅片边缘不会碎裂，而且保持硅片仍在同一次序。
硅片原始次序必需被保持直至激光刻字。
激光刻字
经切片及清洗以后，硅片需用激光刻上标识。
激光标识通常刻在硅片正面边缘处，用激光蒸发硅而形成标识。
标识能够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，不过，大家极难读出。
因为激光标识在硅片正面，它们可能会在硅片生产过程中被擦去，除非刻足够深。
但假如刻太深，很可能在后面过程中受到沾污。
通常激光刻字深度在175μm左右。
通常在激光刻字区域做是另一任务是依据硅片物理性能进行分类，通常以厚度进行分类。
不符合标准原因通常有崩边、破损、翘曲度太大或厚度超差太大。
边缘倒角
倒角使硅片边缘有圆滑轮廓。
这么操作关键目标是消除切片过程中在硅片边缘尖利处应力。
边缘倒角另外好处是能清除切片过程中部分浅小碎片。
边缘倒角形态
硅片边缘形状由磨轮形状决定。
倒角磨轮有一个子弹头式研磨凹槽。
硅片边缘轮廓首先是由真空吸头将硅片吸住后旋转而完成。
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。
经过倒角磨轮沿着硅片边缘形状移动这么系统来保持磨轮和硅片边缘接触。
这使得参考面也能经过磨轮进行倒角。
在硅片旋转几次以后，硅片边缘就能得到磨轮凹槽形状了。
既然硅片参考面也同时倒角，就有部分问题发生。
一个问题是当参考面进行倒角时，可能会被磨去一点。
因为参考面是在一些过程中用来进行硅片对齐，这个参考需要被保持。
倒角磨轮
倒角磨轮是用来进行边缘倒角一个金属圆盘，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。
磨轮研磨表面是一层镍-钻涂层。
倒角原因
倒角一个普遍原因是，这么边缘能使硅片生产和器件制造阶段全部有更高产率。
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。
硅片边缘应力下降使硅片有更高机械强度。
这有利于在处理硅片时对崩边有更强抵御力。
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愈加快些。
因为在未进行倒角之前，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愈加快。
这就造成在硅片边缘有小隆起。
这个隆起称为外延边缘皇冠顶而且会在以后器件制作过程引发部分问题。
假如硅片边缘已经倒角，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，这就有利于预防外延边缘皇冠顶形成。
边缘光刻胶小珠子
光刻胶应用到硅片时，是应用在旋转硅片上，在硅片上涂抗蚀剂后，旋转速度会上升，这么使得在硅片上抗蚀剂甩出，形成均匀一致薄膜。
问题是因为光刻胶表面张力作用会在硅片尖利边缘形成小珠。
假如硅片没有进行倒角，小珠子就会粘在硅片表面；
假如已经倒角了，小珠子就不会在硅片表面形成。
术语表
切片微损伤（切片痕迹）：
是由刀片振动引发。
在切片过程中，因为刀片小小振动产生了这么损伤，在沿着切口方向留下小脊状痕迹。
切片损失：
是在切片过程中，因刀片会切去材料损失总量。
张力：
是用来描述一个材料在负载下伸展能力。
从算术定义来讲，就是和原始长度相比，在长度上改变程度。
应力：
是指材料单位面积承受力量。
Swarf：
切屑，是指在切片开槽时，削去材料。
能够认为是切片垃圾。
抗张强度：
是指材料在未完全失效情况下，所能承受最大压力。
yieldpoint：
指材料在没有永久变形情况下，能承受最大压力。
磨片、热处理和相关工艺
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，切片损伤必需被清除，接下来，硅片需要腐蚀，以去除磨片造成损伤。
吸杂工艺能抵消金属杂质影响。
硅片边缘抛光能去除留在硅片边缘腐蚀坑。
然后进行硅片清洗和热处理，再退火以使抵御稳定。
背封工艺能随意采取，经过沉积在重掺杂硅片后面以预防掺杂剂通常是硼在后面热处理过程中逸出。
经过上述步骤以后，硅片就能进行抛光了。
磨片
是使用研磨砂来清除硅片表面材料和前一步骤留下损伤。
在磨片过程中，在双面行星运动中硅片两面会被同时研磨，一定量材料将被从两面磨去。
这个机械研磨过程磨去硅片两面材料。
目标
磨片关键目标是将硅片切片微损伤去除。
切片微损伤是对单晶损伤，来自于切片过程。
这种损伤在硅片两面全部有，因为硅片两面全部经过了切割。
损伤平均深度大约为25-30μm，但有些损伤可能是它2-3倍深。
磨盘组成
磨盘通常由铸铁制成，但也可能是塑料制。
不考虑金属沾污，使用铸铁能够耐用而且其机械特征能适合磨片。
铸铁硬度使研磨颗粒不会嵌入到盘中，假如颗粒嵌入到磨盘中，就会刮伤硅片表面。
这些刮伤在后面工序中极难去除，铸铁磨盘也不能太硬，假如磨盘太硬，它会压迫研磨颗粒进入硅片，使硅片增加额外损伤。
磨盘表面和磨液供给
磨盘是带齿轮，齿轮有利于磨液均匀分配，预防磨盘被淹没，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。
假如磨盘上没有齿轮，磨液可能会流到磨盘上，假如磨盘和硅片间有太多磨液，磨盘会浮在硅片表面液体上。
假如磨盘浮里表面太远，就不能研磨表面，也就不能将硅片表面损伤去除掉。
假如在磨盘和硅片间磨液太少，磨盘就会在硅片表面引发新损伤。
所以，齿轮控制磨盘和硅片表面间磨液量，而且上磨盘齿轮能将下磨盘锁住。
这么预防在磨盘最终分开时，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，磨盘旋转带动硅片两侧以一样速度旋转。
目标，首先，既然硅片两侧全部以相同速度进行磨片，那么两侧全部有相同材料去除率。
第二，硅片两侧有相同转速相反方向使硅片能固定位置。
所以没有大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压力造成断裂。
上磨盘还有多个功效，首先是它有部分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。
另一个功效是上磨盘提供压力给硅片，上磨盘经过气压下降压下，在磨片第一个循环中，压力比较小，使硅片上高起点先被磨去，使磨液均匀分配在机内。
然后，压力逐步上升到正常操作压力。
硅片厚度
为了更正确地控制磨片厚度，磨片机上有装一个厚度测试系统。
一个能在磨片时测试硅片厚度方法是经过使用一压电材料和硅片同时研磨。
因为压电材料磨去率和硅片相同，电讯号频率就会发生改变。
当频率对应到设定厚度时，机器就会停止，但，每次磨完以后，必需将压电带放回原处，这么才会反应出硅片厚度。
硅片表面去除
使用一个含研磨砂悬浮液组成磨液来研磨硅片表面。
经典研磨砂是由9μm大小经煅烧氧化铝颗粒组成。
这种颗粒悬浮在水和添加剂混合液中，添加剂通常为丙三醇（甘油）。
混合液有利于保持研磨砂悬浮并均匀散布。
悬浮液中研磨砂压迫硅片表面并使其磨损，去除硅片表面物质，这么能将表层切片损伤清除掉。
整个过程会磨去75-100μm表层。
在最终磨片结束时，硅片平整度是最平整，以后步骤全部会使其平整程度下降。
磨片以后，硅片表面残留有很多磨片过程中产生硅颗粒，这种颗粒尺寸很小，并会引发部分问题。
假如要烘干硅片，颗粒会粘在硅片表面，而一旦这么粘住，就极难再去除掉。
所以，硅片必需保持湿润，直至表面颗粒被清除。
应力释放腐蚀
硅片磨片以后，仍有一薄层损伤层，还需经过其它方法来清除磨片带来损伤。
通常经过化学腐蚀硅片表面方法来清除这种损伤。
腐蚀方法有两种：
碱腐蚀和酸腐蚀。
当硅片进行腐蚀时，需要有一清洁表面。
假如硅片表面有沾污，会潜在地充当了腐蚀面具。
当进行酸腐蚀时，酸先和表面颗粒接触，将其慢慢腐蚀去除，所以就象一张面具影响了酸和硅快速接触。
这就会使该区域和硅片表面其它区域腐蚀程度不一致。
所以，硅片在腐蚀前必需进行清洗。
经典清洗方法是将硅片放在Teflon片盒中，浸入含H2SO4和双氧水溶液中，这会清除硅片表面有机物；
然后将硅片浸到氢氟酸中，HF会清除表面任何硅末；
在硅片进行清洗后，就能够进行腐蚀了，而且会腐蚀得均匀一致。
碱腐蚀
硅片腐蚀一个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%KOH和55%纯水溶液中大约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和硅片表面之间继续反应。
KOH和硅片基础反应以下：
Si+2H2O+2KOH→2H2+Si（OH）2（O）2+2K+
酸腐蚀
用于酸腐蚀通常混合物是HNO3和HF。
在任何情况下，酸腐蚀是一个强烈过程，而不会在某个平面存在自限制过程。
酸浴局部腐蚀速率会因局部化学品损耗而改变。
因为硅片周围全部在竞争酸液，硅片中心有腐蚀剂不充足趋向，这会使供给硅片中心酸液损耗，反应稍微降低。
其次，靠近硅片边缘处，没有如此多硅来竞争酸液，所以有充足酸液提供，这就使反应速率在硅片边缘处达成一较高速率。
这种在腐蚀速率上差异会引发硅片象“枕头”，换句话说，硅片中心厚度略厚于边缘。
酸腐蚀（HNO3和HF）基础反应以下：
Si（s）+4HNO3（l）→SiO2（s）+4NO2（g）+2H2O（l）SiO2（s）+6HF（l）→H2SiF6（aq）+2H2O（l）
这个反应一个产物是NO2，是一个气体，所以，必需采取预防方法控制它释放。
为了满足环境法律，NO2通常会用化学淋洗来消除它释放。
两种腐蚀方法全部有各自优缺点，表3.1列出了碱腐蚀和酸腐蚀优缺点。
吸杂
介绍
吸杂是一个将杂质和部分会延伸点缺点从硅片器件制作区域移走过程。
最关键功效是移走金属杂质，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少数载流子寿命。
假如陷入，金属原子还会形成缺点中心，使器件性能等级下降。
所以，吸杂在半导体工艺中是一个关键过程。
吸杂可广义地分为两类：
1、外吸杂；
2、内吸杂。
外吸杂：
是经过从外界导入一有效方法来完成。
能够有不一样手段，如：
a.背损伤b.后面薄膜淀积（关键为多晶硅）c.后面重磷扩散
内吸杂：
是由在热处理过程中氧原子影响形成位错环产生。
氧原子需有最小浓度，才能产生吸杂。
其浓度约为1×
1018atoms？
cm-3。
经过CZ法拉制出硅单晶最少有这个氧含量。
然而，用FZ拉制硅单晶通常小于此浓度，在这种情况下，就不能提供内吸杂。
步骤
氧来吸杂有三个步骤。
第一步是将硅加热到1100℃，使得在靠近硅片表面形成一氧耗尽层，称为耗尽层，器件就建立在正表面这一区域上。
显然，整根晶棒无法进行内吸杂，只能对单片硅片。
整个过程可看作多个步骤整体或可从供给商处购到已吸杂硅片。
第一步加热温度是很关键。
在这温度，氧能从表面逸出因为硅片和外部氧浓度不一样。
能够观察到，假如温度低于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关键，因为在活跃器件区域会引发位错。
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程度。
第三步中，硅片加热到1000℃左右，在此温度上，晶核开始生长而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值靠近于2。
所以也称为氧化淀积。
镜面边缘抛光
进行边缘抛光是为了清除腐蚀过程留下边缘腐蚀坑。
这个过程不一定必需做。
但进行边缘抛光有利于预防碎片或在后面过程中产生裂纹。
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清洗硅片时预防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。
边缘抛光是经过真空
吸头吸住硅片以一定角度使硅片一侧边缘几乎垂直和抛光盘贴住。
然后，抛光盘旋转，硅片边缘也伴随一个鼓旋转。
这个鼓表面贴有一个树脂抛光衬垫。
当硅片和抛光衬垫接触时，还会在上面添加抛光砂。
吸头吸住硅片然后慢慢开动使硅片边缘全部充足和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，然后对硅片另一侧以一样方法进行抛光。
两侧完成后，硅片必需根本清洗以清除残留抛光砂。
在边缘抛光时使用抛光砂是由胶状硅粒悬浮在水中组成，有高PH值化学物。
高PH值能氧化硅，然后硅粒又形成氧化物去除。
抵御稳定
硅单晶棒，作为一个结果，硅片从晶棒上切割下来，还有一关键参数—氧含量。
CZ法生长单晶氧含量靠近1018cm-3等级。
氧关键来自于硅融化时石英坩埚缓慢而稳定分解。
一部分氧从熔融SiO中分解逸出，但有一定量氧和生长晶体结合。
因为熔融物和晶棒旋转和伴随时间推移，熔融物量降低，氧含量沿着晶棒长度方向会显示出一特征。
氧施主
单晶棒会经过一定热条件，部分氧原子会作为施主或说n型掺杂剂。
这种掺杂剂增加会扰乱既定电阻率。
在一些情况下，甚至掺杂剂性质会发生改变，从而使p型晶棒转变为n型晶棒。
假如晶棒或硅片在300℃-500℃温度范围内，硅中氧原子会饰演施主角色，450℃是最起作用温度。
整根晶棒剖面浓度分析，从顶部至底部，施主浓度或氧含量呈下降趋势。
磷是n型掺杂剂，而且氧施主提升了掺杂浓度。
应注意，籽晶末端晶体包含了最高氧含量，所以，在这端n型掺杂剂浓度也更高即在大部分氧施主不再活动后，磷浓度。
热处理前清洗
热处理前清洗能够以多个不一样方法进行。
一个经典方法是使用SC-2洗液来去除金属沾污，然后将硅片浸入已很稀释高纯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）混合溶液清洗。
这种溶液以猛烈溶剂着称，能去除硅片表面大部分有机污物和一些金属离子。
同时，该溶剂能氧化硅片表面，部分金属离子（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高纯酸液中，去除氧化层。
金属沾污也就伴随氧化层清除而被去除掉了。
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。
经观察，硅进行任何热处理，温度在500℃-900℃范围内，新氧施主开始出现。
氧施主这个效应在450℃左右时，不会发生。
依据部分资料，进行抵御稳定时，要预防这类施主产生，能够经过快速热处理过程，硅在650℃维持几秒钟而达成。
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