1、-硅片生產工藝流程及注意要點簡介硅片的準備過程從硅單晶棒開場，到清潔的拋光片完畢，以能夠在絕好的環境中使用。期間，從一單晶硅棒到加工成數片能滿足特殊要求的硅片要經過很多流程和清洗步驟。除了有許多工藝步驟之外，整個過程幾乎都要在無塵的環境中進展。硅片的加工從一相對較臟的環境開場，最終在10級凈空房完成。工藝過程綜述硅片加工過程包括許多步驟。所有的步驟概括為三個主要種類：能修正物理性能如尺寸、形狀、平整度、或一些體材料的性能；能減少不期望的外表損傷的數量；或能消除外表沾污和顆粒。硅片加工的主要的步驟如表1.1的典型流程所示。工藝步驟的順序是很重要的，因為這些步驟的決定能使硅片受到盡可能少的損傷并且

2、可以減少硅片的沾污。在以下的章節中，每一步驟都會得到詳細介紹。表1.1 硅片加工過程步驟1. 切片2. 激光標識3. 倒角4. 磨片5. 腐蝕6. 背損傷7. 邊緣鏡面拋光8. 預熱清洗9. 抵抗穩定退火10. 背封11. 粘片12. 拋光13. 檢查前清洗14. 外觀檢查15. 金屬清洗16. 擦片17. 激光檢查18. 包裝/貨運切片class 500k硅片加工的介紹中，從單晶硅棒開場的第一個步驟就是切片。這一步驟的關鍵是如何在將單晶硅棒加工成硅片時盡可能地降低損耗，也就是要求將單晶棒盡可能多地加工成有用的硅片。為了盡量得到最好的硅片，硅片要求有最小量的翹曲和最少量的刀縫損耗。切片過程定義

3、了平整度可以根本上適合器件的制備。切片過程中有兩種主要方式圓切割和線切割。這兩種形式的切割方式被應用的原因是它們能將材料損失減少到最小，對硅片的損傷也最小，并且允許硅片的翹曲也是最小。切片是一個相對較臟的過程，可以描述為一個研磨的過程，這一過程會產生大量的顆粒和大量的很淺外表損傷。硅片切割完成后，所粘的碳板和用來粘碳板的粘結劑必須從硅片上去除。在這去除和清洗過程中，很重要的一點就是保持硅片的順序，因為這時它們還沒有被標識區分。激光標識(Class 500k)在晶棒被切割成一片片硅片之后，硅片會被用激光刻上標識。一臺高功率的激光打印機用來在硅片外表刻上標識。硅片按從晶棒切割下的一樣順序進展編碼，

4、因而能知道硅片的正確位置。這一編碼應是統一的，用來識別硅片并知道它的來源。編碼能說明該硅片從哪一單晶棒的什么位置切割下來的。保持這樣的追溯是很重要的，因為單晶的整體特性會隨著晶棒的一頭到另一頭而變化。編號需刻的足夠深，從而到最終硅片拋光完畢后仍能保持。在硅片上刻下編碼后，即使硅片有遺漏，也能追溯到原來位置，而且如果趨向明了，則就可以采取正確的措施。激光標識可以在硅片的正面也可在反面，盡管正面通常會被用到。倒角當切片完成后，硅片有比較尖利的邊緣，就需要進展倒角從而形成子彈式的光滑的邊緣。倒角后的硅片邊緣有低的中心應力，因而使之更結實。這個硅片邊緣的強化，能使之在以后的硅片加工過程中，降低硅片的碎

5、裂程度。圖1.1舉例說明了切片、激光標識和倒角的過程。圖1.1磨片Class 500k接下來的步驟是為了去除切片過程及激光標識時產生的不同損傷，這是磨片過程中要完成的。在磨片時，硅片被放置在載體上，并圍繞放置在一些磨盤上。硅片的兩側都能與磨盤接觸，從而使硅片的兩側能同時研磨到。磨盤是鑄鐵制的，邊緣鋸齒狀。上磨盤上有一系列的洞，可讓研磨砂分布在硅片上，并隨磨片機運動。磨片可將切片造成的嚴重損傷去除，只留下一些均衡的淺顯的傷痕；磨片的第二個好處是經磨片之后，硅片非常平整，因為磨盤是極其平整的。磨片過程主要是一個機械過程，磨盤壓迫硅片外表的研磨砂。研磨砂是由將氧化鋁溶液延緩煅燒后形成的細小顆粒組成的

6、，它能將硅的外層研磨去。被研磨去的外層深度要比切片造成的損傷深度更深。腐蝕Class 100k磨片之后，硅片外表還有一定量的均衡損傷，要將這些損傷去除，但盡可能低的引起附加的損傷。比較有特色的就是用化學方法。有兩種根本腐蝕方法：堿腐蝕和酸腐蝕。兩種方法都被應用于溶解硅片外表的損傷局部。背損傷Class 100k在硅片的反面進展機械損傷是為了形成金屬吸雜中心。當硅片到達一定溫度時?，如Fe, Ni, Cr, Zn等會降低載流子壽命的金屬原子就會在硅體運動。當這些原子在硅片反面遇到損傷點，它們就會被誘陷并本能地從部移動到損傷點。背損傷的引入典型的是通過沖擊或磨損。舉例來說，沖擊方法用噴砂法，磨損則

7、用刷子在硅片外表磨擦。其他一些損傷方法還有：淀積一層多晶硅和產生一化學生長層。邊緣拋光硅片邊緣拋光的目的是為了去除在硅片邊緣殘留的腐蝕坑。當硅片邊緣變得光滑，硅片邊緣的應力也會變得均勻。應力的均勻分布，使硅片更穩固。拋光后的邊緣能將顆粒灰塵的吸附降到最低。硅片邊緣的拋光方法類似于硅片外表的拋光。硅片由一真空吸頭吸住，以一定角度在一旋轉桶旋轉且不阻礙桶的垂直旋轉。該桶有一拋光襯墊并有砂漿流過，用一化學/機械拋光法將硅片邊緣的腐蝕坑去除。另一種方法是只對硅片邊緣進展酸腐蝕。圖1.2舉例說明了上述四個步驟：圖1.2預熱清洗Class 1k在硅片進入抵抗穩定前，需要清潔，將有機物及金屬沾污去除，如果有

8、金屬殘留在硅片外表，當進入抵抗穩定過程，溫度升高時，會進入硅體。這里的清洗過程是將硅片浸沒在能去除有機物和氧化物的清洗液H2SO4+H2O2中，許多金屬會以氧化物形式溶解入化學清洗液中；然后，用氫氟酸HF將硅片外表的氧化層溶解以去除污物。抵抗穩定退火Class 1k硅片在CZ爐高濃度的氧氣氛里生長。因為絕大局部的氧是惰性的，然而仍有少數的氧會形成小基團。這些基團會扮演n-施主的角色，就會使硅片的電阻率測試不正確。要防止這一問題的發生，硅片必須首先加熱到650左右。這一高的溫度會使氧形成大的基團而不會影響電阻率。然后對硅片進展急冷，以阻礙小的氧基團的形成。這一過程可以有效的消除氧作為n-施主的特

9、性，并使真正的電阻率穩定下來。背封Class 10k對于重摻的硅片來說，會經過一個高溫階段，在硅片反面淀積一層薄膜，能阻止摻雜劑的向外擴散。這一層就如同密封劑一樣防止摻雜劑的逃逸。通常有三種薄膜被用來作為背封材料：二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、多晶硅。如果氧化物或氮化物用來背封，可以嚴格地認為是一密封劑，而如果采用多晶硅，除了主要作為密封劑外，還起到了外部吸雜作用。圖1.3舉例說明了預熱清洗、抵抗穩定和背封的步驟。圖1.3 預熱清洗、阻抗穩定和背封示意圖粘片Class 10k在硅片進入拋光之前，先要進展粘片。粘片必須保證硅片能拋光平整。有兩種主要的粘片方式，即蠟粘片或模板粘片。顧名思義，

10、蠟粘片用一固體松香蠟與硅片粘合，并提供一個極其平的參考外表.。這一外表為拋光提供了一個固體參考平面。粘的蠟能防止當硅片在一側面的載體下拋光時硅片的移動。蠟粘片只對單面拋光的硅片有用。另一方法就是模板粘片，有兩種不同變異。一種只適用于單面拋光，用這種方法，硅片被固定在一圓的模板上，再放置在軟的襯墊上。這一襯墊能提供足夠的摩擦力因而在拋光時，硅片的邊緣不會完全支撐到側面載體，硅片就不是硬接觸，而是“漂浮在物體上。當正面進展拋光時，單面的粘片保護了硅片的反面。另一種方法適用于雙面的拋光。用這種方法，放置硅片的模板上下兩側都是敞開的，通常兩面都敞開的模板稱為載體。這種方法可以允許在一臺機器上進展拋光時

11、，兩面能同時進展，操作類似于磨片機。硅片的兩個拋光襯墊放置在相反的方向，這樣硅片被推向一個方向的頂部時和相反方向的底部，產生的應力會相互抵消。這就有利于防止硅片被推向堅硬的載體而導致硅片邊緣遭到損壞。.除了許多加載在硅片邊緣負荷，當硅片隨載體運轉時，邊緣不大可能會被損壞。拋光Class 1k硅片拋光的目的是得到一非常光滑、平整、無任何損傷的硅外表。拋光的過程類似于磨片的過程，只是過程的根底不同。磨片時，硅片進展的是機械的研磨；而在拋光時，是一個化學/機械的過程。這個在操作原理上的不同是造成拋光能比磨片得到更光滑外表的原因。拋光時，用特制的拋光襯墊和特殊的拋光砂對硅片進展化學/機械拋光。硅片拋光

12、面是旋轉的，在一定壓力下，并經覆蓋在襯墊上的研磨砂。拋光砂由硅膠和一特殊的高pH值的化學試劑組成。這種高pH的化學試劑能氧化硅片外表，又以機械方式用含有硅膠的拋光砂將氧化層從外表磨去。硅片通常要經多步拋光。第一步是粗拋，用較硬襯墊，拋光砂更易與之反響，而且比后面的拋光中用到的砂中有更多粗糙的硅膠顆粒。第一步是為了去除腐蝕斑和一些機械損傷。在接下來的拋光中，用軟襯、含較少化學試劑和細的硅膠顆粒的拋光砂。去除剩余損傷和薄霧的最終的拋光稱為精拋。粘片和拋光過程如圖1.4所示：圖1.4 粘片和拋光示意圖檢查前清洗class 10硅片拋光后，外表有大量的沾污物，絕大局部是來自于拋光過程的顆粒。拋光過程是

13、一個化學/機械過程，集中了大量的顆粒。為了能對硅片進展檢查，需進展清洗以除去大局部的顆粒。通過這次清洗，硅片的清潔度仍不能滿足客戶的要求，但能對其進展檢查了。通常的清洗方法是在拋光后用RCA SC-1清洗液。有時用SC-1清洗時，同時還用磁超聲清洗能更為有效。另一方法是先用H2SO4/H2O2，再用HF清洗。相比之下，這種方法更能有效去除金屬沾污。檢查經過拋光、清洗之后，就可以進展檢查了。在檢查過程中，電阻率、翹曲度、總厚度超差和平整度等都要測試。所有這些測量參數都要用無接觸方法測試，因而拋光面才不會受到損傷。在這點上，硅片必須最終滿足客戶的尺寸性能要求，否則就會被淘汰。金屬物去除清洗硅片檢查

14、完后，就要進展最終的清洗以去除剩余在硅片外表的所有顆粒。主要的沾污物是檢查前清洗后仍留在硅片外表的金屬離子。這些金屬離子來自于各不同的用到金屬與硅片接觸的加工過程，如切片、磨片。一些金屬離子甚至來自于前面幾個清洗過程中用到的化學試劑。因此，最終的清洗主要是為了去除殘留在硅片外表的金屬離子。這樣做的原因是金屬離子能導致少數載流子壽命，從而會使器件性能降低。SC-1標準清洗液對去除金屬離子不是很有效。因此，要用不同的清洗液，如HCl，必須用到。擦片在用HCl清洗完硅片后，可能還會在外表吸附一些顆粒。一些制造商選擇PVA制的刷子來去除這些殘留顆粒。在擦洗過程中，純水或氨水NH4OH應流經硅片外表以帶

15、走沾附的顆粒。用PVA擦片是去除顆粒的有效手段。激光檢查硅片的最終清洗完成后，就需要檢查外表顆粒和外表缺陷。激光檢查儀能探測到外表的顆粒和缺陷。因為激光是短波中高強度的波源。激光在硅片外表反射。如果外表沒有任何問題，光打到硅片外表就會以一樣角度反射。然而，如果光打到顆粒上或打到粗糙的平面上，光就不會以一樣角度反射。反射的光會向各個方向傳播并能在不同角度被探測到。包裝/貨運盡管如此，可能還沒有考慮的非常周到，硅片的包裝是非常重要的。包裝的目的是為硅片提供一個無塵的環境，并使硅片在運輸時不受到任何損傷；包裝還可以防止硅片受潮。如果一片好的硅片被放置在一容器，并讓它受到污染，它的污染程度會與在硅片加

16、工過程中的任何階段一樣嚴重，甚至認為這是更嚴重的問題，因為在硅片生產過程中，隨著每一步驟的完成，硅片的價值也在不斷上升。理想的包裝是既能提供清潔的環境，又能控制保存和運輸時的小環境的整潔。典型的運輸用的容器是用聚丙烯、聚乙烯或一些其他塑料材料制成。這些塑料應不會釋放任何氣體并且是無塵的，如此硅片外表才不會被污染。最后六個步驟如圖1.5所示。圖1.5 檢查前清洗、外觀檢查、金屬離子去除清洗、擦片、激光檢查和包裝/貨運示意圖硅片制備階段的問題在硅片的制造過程中，涉及到許多參數。而且這些參數中有許多會因最終硅片目標不同而發生變化。對硅片來說，有一些參數始終是很重要的，如平整度、缺陷、沾污等。在下面的

17、章節中將詳細討論。當硅片被不正確運行的刀片所切割時，就會造成彎曲的刀口。這些刀口都不會一樣，這就使硅片有不同種類的平面缺陷。能以最好的方式使硅片得到平整的外表是很重要的，因此應以盡可能平的面去切割硅片。有不同的測量方法來測試硅片的平整度。一些測量方法給出了圓形的或者說是整個硅片的平整度而另一些方法只顯示出局部的硅片平整度。整個的平整度對于設計樣品時是很重要的，.從另一方面說，局部的平整度對于.設計是很重要的，.一些整體平整度測試的術語是彎曲度bow、翹曲度warp、總厚度超差TTV、總指示讀數TIR和焦平面背離FPD。局部平整度測試的術語也與其一致。Bow硅片彎曲度是測量硅片彎曲程度，它是與硅

18、片中心從一通過靠近硅片邊緣的三個基點建立的平面的背離程度。彎曲度測試是一種較老的測試手段，不經常使用。因為彎曲度測試只能測試與中心的背離，其他方法也就相應產生了。實際上，硅片的背離會發生在硅片的任一位置，而且能產生很多問題。在最近的時間里，S型彎曲或翹曲的測試被真正采用。這種變形有比彎曲更復雜的形狀。Warp硅片形狀變形的另一測試方法是翹曲度的測試。翹曲度是測量硅片確定的幾個參考面的中心線位置的最高點與最低點之最大差值。硅片的翹曲度起決于使用的一對無接觸掃描探針。硅片被放置在三個形成參考平面的支點上，這對探針中一支可以在硅片一側的任意位置，而另一支則在另一側的相應位置。探針按設定的程序，沿硅片

19、外表移動，測量到硅片外表指定點的距離。一旦所有的距離都已測得，翹曲的程度也就知道了。測定翹曲度，第一步就是找到頂部探針與頂部硅片外表的距離a和相應底部探針與底部硅片外表的距離b。換句話說，就得到了b-a的所有測量點。有了這些數據，將b-a的最大值減去b-a的最小值，再除以2就是Warp值如圖1.6所示。圖1.6 翹曲度Warp和總厚度偏差TTV測量示意圖硅片的翹曲度與半導體制造有關，因為一片翹曲的硅片在光刻過程中可能會引起麻煩；還可能在一些加工過程中粘片時也有問題。小量的翹曲在一些加工過程中可以通過真空吸盤或夾具得到補償。TTV一種檢測硅片厚度一致性的方法，叫總厚度超差TTV，就是指硅片厚度的

20、最大值與最小值之差。測量TTV可在測量Warp時同時進展。Warp中類似的探針和數據處理方法可以為TTV所采用。實際上，不同的僅僅是計算公式。在計算TTV時，第一步是將頂部探針與頂部硅片外表的距離a和相應底部探針與底部硅片外表的距離b相加，這里，我們要的是相加a+b，TTV就是將a+b的最大值減去a+b的最小值。TIR總指示讀數是一種只與硅片的正面有關的參數。測量方法是將與真空吸盤平行吸住的一面作為參考平面，TIR就是正面最高處與最凹處的差值。見圖1.7圖1.7 總指示讀數TIR和焦平面偏離FPD測量示意圖FPD焦平面偏離FPD是指硅片上距焦平面最高處和最深處到焦平面的距離中遠的一個。有時這個

21、平面是參考硅片反面或是一個假想的平面。這一測量值說明了.迄今為止，所討論的所有平整度測試方法都是指整體測試。換句話說，所有的測試方法都是表達硅片整體的外表情況。這些方法中的大局部也可以測試局部狀況。差異僅在于測試時所覆蓋的區域是整體還是局部。通常，區域的選擇尺寸同典型的電路芯片一樣。舉個例子，局部測試的硅片平整度稱為局部厚度超差LTV，LTV幾乎與TTV一樣，區別僅在于前者只對應硅片的小區域圍。污染硅片外表的污染是一個主要關注的問題。硅片生產過程從相對較臟的切片開場到最終進入一凈空房完畢，硅片要暴露在大量的不同化學品和溶液中，而且硅片還要被放入許多不同的機器進展機械加工，所有這些接觸都會導致顆

22、粒沾污。另兩個主要的污染是金屬和有機物。金屬因硅片經過許多機器加工，金屬與硅片外表直接接觸而被留在硅片外表；有機物則可能來自于任何物體上的油脂或油。在硅片最終被發往客戶前，所有的污染都必須被去除。平安同其他制造環境一樣，在設備的每一位置，都有其特殊的平安要求。在半導體制造的硅片生產階段，許多平安問題非常類似于在一裝備完好設備商店，有高速度的刀片和所有手工滾磨設備。硅片生產中的許多過程是機械導向的，因此，這些有操作危險的過程必須有一定的平安程序。除了這些顯而易見的機械危險外，還有化學方面的危險。硅片的生產要用到許多危險的化學藥品，如在敞開式的硅片清洗中用到的HF和KOH。這些化學品的使用象水一樣

23、頻繁，而且容易被灌輸一種錯誤的平安觀念。因此，當在進展與這些化學品相關的工作時，必須確定出所有正確的平安方針。其它還有涉及到各種不同輻射的平安問題。在切片區域，有*-ray源；激光掃描區域，有激光的輻射可能會引起潛在的火災，甚至使人失明。在這些區域，都應穿著適當的防護服，并應慎重操作以防發生平安問題。術語表彎曲度bow硅片彎曲度是指硅片中心與一通過靠近硅片邊緣的三個基點建立的平面的背離程度。彎曲度是對整個硅片而言。10級class10通常指環境的清潔度時，10級是指每立方英尺空氣中0.5m大小的顆粒不超過10個，而且更大的顆粒數更少。這是一個非常干凈的環境。硅膠硅膠是一種懸浮的硅土顆粒，細小到

24、無法分辨出各個顆粒，也無法從懸浮液中別離出來。微切傷微切傷是由刀片的顫抖而引起的，它是刀片在行進過程中細微的背離，而在硅片上沿著切口留下的細小的脊狀損傷。外吸雜外吸雜是一種適用在硅片反面的吸雜方法。焦平面背離FPD焦平面背離的測試能說明離硅片正面上任何點的焦平面的最遠距離。FPD能衡量整個硅片正外表。吸雜吸雜是一種誘使金屬雜質遠離硅片正面的方法。通常通過在晶體構造中造成高應力區域來實現。有兩種不同的吸雜方法：外吸雜和吸雜。霧化霧化是硅片出現霧氣的一個條件。可能由硅片的任何的沾污或損傷而引起。平均載流子壽命.平均載流子壽命是指在硅體多數載流子的平均復合時間。PiranhaPiranha是一種清洗

25、液，由硫酸H2SO4和雙氧水H2O2組成。之所以起這個名字是因為當上述兩種化學品混合時，溶液溫度會到達120左右并劇烈沸騰。總指示讀數TIR總指示讀數是硅片的正面上距設定參考面最高處與最凹處的距離。TIR能說明整個硅片正面的情況。總厚度超差TTV總厚度超差TTV是指硅片最厚處與最薄處的差值。TTV也是對整個硅片的測試。翹曲度warp翹曲度warp是指離硅片中心線最高和最低的差值，是整個硅片的測試。習題1、 硅片生產的主要目的是為了生產- a. 無損傷硅片b. 清潔、平整、無損傷的硅片c. .d. 有粗糙紋理的硅片2、 一個典型的工藝流程是- a. 切片、磨片、拋光、檢查b. 切片、拋光、磨片、

26、檢查c. 磨片、切片、拋光、檢查d. 拋光、切片、磨片、檢查3、 磨片的目的是- a. 提供一個高度拋光外表b. 探測硅片外表的缺陷或沾污c. 硅片抵抗的穩定d. 去除切片過程造成的深度損傷4、 拋光過程是一個- a. 一個化學/機械過程b. 一個嚴格的化學過程c. 一個嚴格的機械過程d. 其它類型的過程5、 退火抵抗穩定過程為消除_的抵抗影響- a. piranha清洗液H2SO4+H2O2b. silo*.c. 金屬d. 氧6、 哪一種平整度測試能說明硅片厚度的一致性- a. TTV總厚度超差b. TIR總指示讀數c. 翹曲度d. FPD焦平面背離切片目的1、 當將晶棒加工成硅片時，能確定

27、切片加工的特性；2、 描述切片時所用的碳板的作用；3、 知道圓切片和線切割機的優點和缺點；4、 硅片進展標識的目的；5、 硅片邊緣.的原因；6、 描述硅片邊緣.的典型方法。簡介本章主要討論多種切片工藝和它們的特征，對硅片的激光掃描，及硅片的邊緣的contour。切片綜述當單晶硅棒送至硅片生產區域時，已經準備好進展切割了。晶棒已經過了頭尾切除、滾磨、參考面磨制的過程，直接粘上碳板，再與切塊粘接就能進展切片加工了。為了能切割下單個的硅片，晶棒必須以*種方式進展切割。在進展圓切片的工場，切片可能會引用許多標準。切片過程有一些要求：能按晶體的一特定的方向進展切割；切割面盡可能平整；引入硅片的損傷盡可能

28、的少；材料的損失盡量少。為了滿足切片的這些要求，一些特殊的切片方法產生了。在下面章節中將討論幾種切片的特殊方法和相關的工藝。碳板當硅片從晶棒上切割下來時，需要有*樣東西能防止硅片松散地掉落下來。有代表性的是用碳板與晶棒通過環氧粘合在一起從而使硅片從晶棒上切割下來后，仍粘在碳板上。許多情況下，碳板經修正、打滑、磨平后，在材料準備區域進展粘接。碳板不是粘接板的唯一選擇，任何種類的粘接板和環氧結合劑都必須有以下幾個特性：能支持硅片，防止其在切片過程中掉落并能容易地從粘板和環氧上剝離；還能保護硅片不受污染。其它粘板材料還有瓷和環氧。圖2.1說明了碳板與晶棒的粘接。圖2.1 粘棒示意圖石墨是一種用來支撐

29、硅片的堅硬材料，它被做成與晶棒粘接部位一致的形狀。大多數情況下，碳板應嚴格地沿著晶棒的參考面粘接，這樣碳板就能加工成矩形長條。當然，碳板也可以和晶棒的其它部位粘接，但同樣應與該部位形狀一致。碳板的形狀很重要，因為它要求能在碳板和晶棒間使用盡可能少的環氧和盡量短的距離。這個距離要求盡量短，因為環氧是一種相當軟的材料而碳板和晶棒是很硬的材料。當刀片從硬的材料切到軟的材料再到硬的材料，可能會引起硅片碎裂。碳板不僅在切片時為硅片提供支持，而且也在刀片切完硅片后行經提供了材料，保護了刀片。這里有一些選擇環氧類型參考：強度、移動性和污染程度。粘接碳板與晶棒的環氧應有足夠強的粘度，才能支持硅片直到整根晶棒切

30、割完成。要找到這樣的環氧并非難事，但還要考慮到污染程度，因此，它必須能很容易地從硅片上移走，只有最小量的污染。一般地，環氧能很容易在熱的乙酸溶液中溶解，或用其他的方法解決。所有這些方法，都應對硅片造成盡可能低的污染。刀片當從晶棒上切割下硅片時，期望切面平整、損傷小、沿特定方向切割并且損失的材料盡量小。任何的不能滿足這些最低標準的切割方法都不能被采用。有一個速度快、平安可靠、經濟的切割方法是很值得的。當進展切片時，刀片所切下處或邊緣處的材料都會損失，因此，更希望是一種低損失量的切片方法。這種損失量稱為刀片損失。刀片損失是指材料損失的總量，因為這個損失是由于刀片在開槽時的移動而造成的。如果在切片過

31、程中損失更少的量，那就意味著從同根晶棒上能切下更多的硅片，也就是降低了每一硅片的本錢。在半導體企業，通常只有幾種切割方法被采用。兩種通常被應用的方法是環型切割和線切割。環型切割通常是指圓切割，是將晶棒切割為硅片的最廣泛采用的方法。圓切割圓切割正如它的名字一樣，切割的位置在刀片的外表。刀片是由不銹鋼制成的大而薄的圓環。刀片的側邊緣鍍有帶鉆石顆粒的鎳層。這一鉆石-鎳的鍍層提供了用來切割晶棒的外表，見圖2.2。對于150mm的硅片，每刀用時3分鐘。圖2.2圓刀片的構成和厚度對一典型的圓刀片，其中心部位由約0.005英寸的不銹鋼制成，鎳-鉆石涂層是不銹鋼刀片邊緣兩側約0.003英寸。圓刀片的側邊緣總厚

32、度約為0.0125英寸。這樣，材料損失厚度略大于刀片的最厚度，大概在0.013英寸左右。鎳-鉆石涂層的厚度是圓刀片的一個重要參數。很明顯，這一厚度越小，刀片損失也就越少。但是，如果涂層太薄的話，刀片切下的路徑太窄，刀片可能會有更大潛在可能沖擊邊緣，如果刀片發生任何偏差而撞擊到邊緣，硅片就會受到損傷，在接下來的步驟中就需要去除更多的材料。因此，有一個最適宜的鎳-鉆石涂層能得到最低的材料損失。不管金屬的污染，不銹鋼因為它的特性而被作為圓刀片普遍采用的核心材料。不銹鋼有高的延展性能允許刀片有很大的力，這種強的力能使刀片繃的很緊很直，從而在切割時能保持刀片平直。鋼的另一個有利之處就是它很耐用。這種經久

33、的耐用性，能額外使用同一刀片而不需更換，從而使硅片的生產本錢降低。這是很重要的因為更換一把刀片需耗時1.5小時左右。記住在切片時使用了不銹鋼也很重要，因為硅片會帶有大量的金屬離子。在硅片進展高溫熱處理之前，必須將金屬從外表去除。否則，任何高溫的過程都會使金屬離子擴散進硅片而不易去除了。圓刀片用圓刀片來切割晶棒的原因是它有低的刀片損失，圓刀片在開場塑性變形后，被緊在鼓上。.這已超出了不銹鋼的伸展點，為了能充分說明這個條件，要先介紹幾個術語。壓力是描述單位能承受的重量；力是指改變后的長度與原始長度之比。通常用壓力-力曲線來表示材料特性。如圖2.3所示，可以得到材料的伸展點和最終延展強度。伸展點是指

34、材料在這一點上停頓了按施加在其身上力比例伸展。從所畫的圖上可以看出，壓力-力曲線最終成了線性關系。當壓力超過一定數值時，材料就開場快速伸展而增加的壓力很小。材料沒有完全失效所能承受的最大壓力稱為最終延展強度。在壓力-力曲線上，它處在最高點，這點以后，如果材料再承受任何一點壓力都會導致材料斷裂。圖2.3圖2.3為圓刀片緊時的典型壓力-力曲線。當刀片伸展至塑變區域后，就變得很剛直了。這就使不銹鋼刀片有一中心厚度約0.006英寸左右，要到達同樣的程度，外圓刀片的厚度是它的十倍多。厚度為0.0125英寸的圓刀片，每切一刀，就損失一片硅片的50%厚度。如果刀片有其十倍厚，則每切一刀，硅片的500%厚度都

35、損失了。這就導致硅片的數量減少為原來的1/4見圖2.4。硅片數量的減少直接導致其本錢的顯著上升。圖2.4圓刀片的切片運動類似于一種研磨形式。研磨劑鉆石混合在鎳金屬，鉆石是非常硬的物質，能刮去任何其它物質的外表，還有兩種相近硬度的材料見莫氏硬度等級。莫氏硬度等級莫氏等級是在1800年代晚期，由Friedrich Mohs開展起來的。他的等級圖是根據一種材料切割其它材料而得出的。在這等級圖上，任何硬度高的材料都能切割硬度比它低的材料。這一等級圖圍從撲面粉最軟的材料之一，到鉆石最硬的材料都包括在了。圖2.5列出了十種元素/化合物按硬度順序排列的莫氏原始等級圖。硅與石英有相近的硬度。從圖上可看出，鉆石

36、能切割硅。圖2.5當鉆石涂覆在圓刀片上切割晶棒時，它是在研磨硅材料。含鉆石的研磨層在硅體不斷地研磨，造成硅的微觀斷裂而產生細微碎片。當刀片通過材料時，一些碎片也被帶出來了。這個不斷摩擦的過程，產生熱和許多顆粒。一種潤滑/冷卻溶液，通常如水或水容性潤滑劑，用來去除相切位置的顆粒。這種液體能控制硅沫并使溫度下降。圓切片尺寸切割硅片需要的圓刀片尺寸是很大的，如對于200mm硅片，刀片的外圓直徑約在32英寸左右。這么大的尺寸是為了使徑足夠大，從而能將粘有碳板的晶棒都能通過。另外，刀片本身也必須能夠切割晶棒的任何位置而不會使晶棒碰到刀片外側的緊圈。徑也相對較大，因為有了大的洞，刀片才能變得更硬。對于一樣

37、尺寸的晶棒，有一個方法能減小刀片的尺寸，就是在切割前將晶棒滾圓。這個安排有利之處在于圓切片時，只要通過晶棒一半的路程，因此，不需要如此大的直徑。問題是，這種方法在切片時，要不引起硅片中心的.很困難。另一問題是它會導致碎裂并使硅片中心產生缺陷。隨著晶棒直徑的增大，圓切片變得越來越不實用。切片損傷當切片機在切割晶棒時，會引起很多損傷。這些損傷來自于切片過程切磨的形式。這一過程會造成硅片產生許多細微破裂和裂紋，這種損傷層的平均厚度約為25-30m。這樣的損傷存在于刀片與晶棒接觸的任何地方。因為切片接觸的是硅片的外表，所以硅片外表存在著許多這樣的損傷，這就意味著在接下來的過程中必須去除掉這些損傷，硅片

38、才會有用。如果刀片有任何振動，損傷層就會更深，有時候甚至是平均厚度的2-3倍。為了防止損傷層的延伸擴展，必須小心仔細地操作，盡可能消除刀片振動。有些損傷如果很深的話，在磨片之后仍能在硅片上看到。刀片偏轉硅片彎曲和厚度偏差的主要根源在切片過程。影響硅片形狀的最主要因素是切片過程中的刀片偏轉。如果刀片在切片時發生振動，則很有可能在刀片所在一側的損傷層會比另一側更深。不同的是，因刀片振動引起的損傷稱為切片微分損傷。在切片過程中，刀片偏轉監測器能提供刀片偏轉的實時監測。刀片偏轉監測器的安裝盡可能接近于切片區域。這個位置一般接近刀片的圓處，并接近刀片切入晶棒的入口或刀片退出時的出口如圖2.6所示。監測器

39、是通過刀片處產生的旋渦來測試的。刀片偏轉監測器的輸出與反響回路有關，當監測器探測到偏離時，這個回路能自動糾正路徑偏離。在這個系統中，有一力量能糾正刀片偏差。這個系統使硅片切片時，有更少的翹曲度。圖2.6在圓切片時，刀片偏離的主要原因是對于刀片的切片速率而言，刀片的進給太快了。一般圓刀片的進給速度是5cm/min。另一原因可能是鉆石變臟了或者脫離了鎳的涂層。當刀片因為臟而開場出現偏差時，就應進展修刀了。修刀過程是使刀片的涂層暴露出新的、銳利的鉆石。修刀通常是將碳化硅或氧化鋁的研磨棒切片來完成。研磨棒能將鎳鉆涂層的外層磨去從而顯露出新的鋒利的鉆石。要檢查修刀是否成功，唯一的方法就是再進展硅棒的切割

40、。盡管修刀能生產新的尖利的外表，但除非必須，否則不大進展，因為每一次修刀都會減少刀片的壽命并增加機器待工時間。問題在切片過程中，經常會發生一些問題：硅片晶向錯誤，過分的切片損傷，刀片偏離，刀片失靈和碎片。刀片失靈有幾種：刀片變形、鎳-鉆涂層崩潰、刀片斷裂。經常發生的問題是刀片變形。圓刀片的變形可能因在緊時的錯誤方式或在試圖快速通過晶棒時的刀片進給速度太快。其它刀片變形的發生可能因不銹鋼刀片承受的力太大造成刀片延展。刀片如果過度變形后，就不能保持筆直通過晶棒。這是因為刀片在切片時會發生抖動。刀片失靈造成的最主要的問題是引起硅片斷裂和大量的外表損傷。碎片刀片退出時無論任何方式，當刀片切割*種材料即

41、將完成時，刀片在材料底部時，可能會引起材料碎裂，這種現象稱為e*it chip。碎片的發生是由于在切割的最后階段，在材料的小區域中存在高的局部應力。當持續施加一樣大小的壓力在越來越薄的材料上，材料就無法再承受這樣的壓力。這片材料就開場斷裂，材料的碎片就會松散。這些碎片尺寸相對較大，使硅片缺損，這樣的硅片就不能使用了。圖2.7列舉了碎片的發生。圖2.7最小限度碎片有兩種方法防止碎片的發生，一種方法是在最后階段，減小刀片施加在硅片上的壓力。在最后，可以通過降低刀片進給速率來減小壓力。另一個方法是在晶棒外側位置貼上幾片材料，使切割完成。外外表額外材料的增加提供載體有利于切片的完成。這樣就減少了硅片較

42、薄邊緣的壓力，硅片也不會碎裂了。有一防止碎片的系統可供選擇，可以消除任何碎片的發生。就是使晶棒直徑生長的稍大一點，則在切片時，即使發生碎片，滾磨去碎裂處，仍有足夠的材料。這種方法的應用使晶棒直徑大1.3mm左右。切片之后，多余的材料就會被磨去。有了足夠的材料，則所有碎片的發生幾乎都能包含在了。應指出的是，碎片大多發生在(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。沿著110晶面切割很容易引起硅片碎裂。因此，在切割100向的硅片時，硅片有沿110晶面發生碎裂的趨向。在111向的硅片上，111面是與硅片的面相平行的。單晶硅的裂紋大多沿著111面。因此，任何裂紋的發生

43、平行于切片方向而不會引起碎片。除了圓切割外，還有線切割。盡管線切割已使用了幾個世紀，但被應用到半導體廠家僅僅在最近20年。它們最初需要昂貴的投資，但因在切片損失上的減少能使其很快收回本錢。線切割使用研磨砂漿來切割晶棒，砂漿貼附在接觸并進入晶棒的鋼線上，鋼線會產生壓力壓迫研磨劑與晶棒接觸，這樣在砂漿和晶棒間的壓力接觸使材料被磨去。線切割的根本構造很簡單，一根小直徑的鋼線繞在幾個導輪上使鋼線形成梯形的形狀。導輪上有凹槽能確保鋼線以一定距離分隔開。一根連續的鋼線集中繞導輪的一個個凹槽上，形成許多一樣間隔的切割外表。線之間的空間決定了想要的硅片厚度。鋼線的移動由線軸控制，因為整個系統只有一根鋼線。線的

44、兩端分別繞在線軸上，晶棒慢慢向上或向下移動，穿過鋼線，鋼線能從晶棒上同時切割下許多硅片。圖2.8是線切割的簡單示意圖。如150mm硅片，整根晶棒的切割完成只需約5-8小時。圖2.8典型的線切割機使用的鋼線直徑約在0.006英寸。這么小的尺寸所造成的切片損失只有0.008英寸。單根線通常有100km長，繞在兩個線軸上。如此長的鋼線的應用使線的單個區域每次都不會與砂漿及晶棒接觸很長時間。這種與砂漿接觸時間的減少有利于延長鋼線的壽命。而且，長的鋼線意味著在一個方向上的進給能維持相當長的時間而不需要轉換方向通過反向的繞線回來。在一些系統中，鋼線的進給在這次是一個方向，然前方向可翻轉，然后再翻轉。.舉例

45、來說，鋼線向前走了約30秒，然后反向走25秒，然后再向前，如此反復。這樣就使鋼線通過系統的時間延長，或者剛在一個方向經過系統，反過來又要經過了。典型的鋼線進給速度在10m/s22mph，即一根100km長的鋼線經過一個方向需10，000秒或約2.75小時。其中一個線導輪由馬達驅動，控制整個鋼線系統。鋼線必須保持一定的力能壓迫砂漿中的磨砂研磨晶棒，并防止導輪上的鋼線進給錯誤。這都由一個線緊裝置來自己控制并調整系統。這個系統保持鋼線在一定力下，并控制鋼線的進給速度。線切割機的鋼線與晶棒接觸，而砂漿沉積在鋼線上。砂漿由碳化硅與油混合而成，或其他一些類似的堅硬材料與液體的混合物。通過鋼線的帶動，砂漿會

46、對晶棒緩慢研磨，帶走晶棒外表少許材料，形成凹槽。鋼線的不斷移動將凹槽中的材料不斷帶走，在鋼線完全通過晶棒后，砂漿仍隨鋼線移動。隨著硅片直徑的增加，線切割機在硅片切割中將扮演更主要的角色。當硅片到達300mm或更大時，圓刀片的直徑也必須增大，而且刀片的厚度必須增加才能充分維持其剛直性，這樣就會造成更多的刀片損失。另一方面，線切割機對于更大直徑的硅片，不需要改變線的粗細。因此，線切割的切片損失仍保持不變，同一根晶棒就能得到比圓切片更多的硅片。線切割的問題對于線切割，有兩種主要的失效模式：鋼線力的錯誤改變和鋼線斷裂。如果鋼線的力錯誤，線切割機就不能有效進展切割了。鋼線有任何一點的松動，都會使其在對晶

47、棒進展切割時發生搖擺，引起切割損失，并對硅片造成損傷。低的力還會發生另一問題，會使鋼線導輪發生錯誤進給。這一錯誤可能造成對晶棒的錯誤切割或者使鋼線斷裂。在切割過程中，鋼線可能會從一個凹槽跳到另一個凹槽中，使硅片切割進展到一半。鋼線也可能因力太大，到達它所能承受的極限，導致鋼線斷裂。如果鋼線斷裂，可能對硅片造成損傷，并使切割過程停頓。斷裂的鋼線還可能造成眾多硅片的斷裂。其它切割方式近幾年來，還有許多切割工藝被建議用在硅片切割上。如線性電氣加工EDM，配置研磨線，電氣化學，和電氣-光化學。比起現在的切割工藝，所有的這些方法都有其潛在的優勢，然而，比起已解決的問題，它們仍存在更多的問題而不能被商業上

48、應用。最可能的方法是EDM，又稱火花腐蝕加工，它有非常低的切片損失。晶向當進展切片時，必須按客戶要求沿一個方向切割。所有的客戶都希望硅片有一特定的晶向，無論是在一單晶平面還是如果特定的，與平面有特定數值的方向。在這樣的情況下，就要盡可能使硅片的切割接近這一方向。一個與正確方向的小小偏離都會影響到以后器件的構成。一些制作過程要依靠晶向蝕刻，其它則需要基層的晶向準確。硅片晶向發生任何問題都會引起器件制造問題。因此，必須在切片開場時就檢查硅片晶向的正確性。當晶棒粘在切片機上時，以參考面為根底，將晶棒排好。然而，也不能保證切出來的硅片晶向正確，除非先切兩片硅片，用*-ray機檢查晶向是否正確。如圖2.

49、9所示，這個過程類似于單晶生長模式中的描述，除了衍射是針對硅片外表而不是邊緣。如果硅片的晶向錯誤，則就要調整切片機上晶棒的位置。切片機有調整晶向的功能。在正確的晶向定好之后，硅片的切割就可以進展下去了。圖2.9 *-ray衍射碳板去除切片完成之后，粘在硅片上的碳板需要去除。使硅片與碳板粘合在一起的環氧劑能被輕易地去除。例如，一些環氧能通過乙酸、水或加熱來去除。操作時應小心，使硅片邊緣不會碎裂，并且保持硅片仍在同一順序。硅片的原始順序必須被保持直至激光刻字。這樣就能保證知道硅片在原晶棒中的位置。硅片的正確順序是很重要的，因為隨著單晶硅晶棒上的位置點的改變，硅的特性會改變。來自于晶棒底部的硅片與來

50、自頂部的硅片相比，有不同的電阻率、摻雜劑濃度和氧含量。因此硅片的特性也就不同，確定硅片在晶棒中的位置是很必要的。碳板從硅片上移走之后，硅片就能清洗了。因為這時候，經過了切片加工，正如所知道的，切片是很臟的過程，硅片上有大量有害物、環氧劑殘留。殘留在硅片上的物質、環氧劑相對較難去除，因此，應經過一個.清洗工藝。激光刻字經切片及清洗之后，硅片需用激光刻上標識。這一標識能提供硅片多方面的信息，并能追溯硅片的來源。硅片以從晶棒上切割下的一樣順序進展刻字，以保持硅片的順序。標識主要用來識別硅片的，以保證每一硅片的所有過程的信息都能被保持并作為參考。如果硅片中發現一問題，知道硅片經過了哪些過程，在晶棒的哪

51、一位置是很重要的。如果所有這些信息都能知道，問題的來源就能被隔離，在更多的硅片經過一樣次序而發生同一問題前就能被糾正。所以，在硅片外表的標識是很必要的，至少至拋光完畢。激光標識一般刻在硅片正面的邊緣處，用激光蒸發硅而形成標識。.標識可以是希臘字母或條形碼。條形碼有一好處，因為機器能快速而方便地讀取它，但不幸的是，人們很難讀出。因為激光標識在硅片的正面，它們可能會在硅片生產過程中被擦去，除非刻的足夠深。但如果刻的太深，很可能在后面的過程中受到沾污。因此，保持標識有最小的深度但能通過最后的過程是很值得的。一般激光刻字的深度在175m左右。這樣深度的標刻稱為硬刻字；標識很淺并容易去除的稱為軟刻字。通

52、常在激光刻字區域做的是另一任務是根據硅片的物理性能進展分類，通常以厚度進展分類。將與標準不一致的硅片從中別離出來。不符合標準的原因通常有崩邊、破損、翹曲度太大或厚度超差太大。邊緣倒角經過標識和分類后，進展邊緣倒角使硅片邊緣有圓滑的輪廓。這樣操作的主要目的是消除切片過程中在硅片邊緣尖利處的應力。邊緣倒角另外的好處是能去除切片過程中一些淺小的碎片。邊緣倒角形態硅片邊緣的形狀由磨輪形狀決定。.因此，倒角磨輪有一個子彈頭式的研磨凹槽。見圖2.10圖2.10倒角示意圖硅片邊緣的輪廓首先是由真空吸頭將硅片吸住后旋轉而完成的。硅片緩慢旋轉，磨輪則以高速旋轉并以一定力量壓在硅片邊緣。通過倒角磨輪沿著硅片邊緣形

53、狀移動這樣的系統來保持磨輪與硅片邊緣的接觸。這使得參考面也能通過磨輪進展倒角見圖2.11。在硅片旋轉幾次之后，硅片邊緣就能得到磨輪凹槽的形狀了。圖2.11倒角磨輪沿硅片邊緣運動圖例既然硅片的參考面也同時倒角，就有一些問題發生。一個問題是當參考面進展倒角時，可能會被磨去一點。因為參考面是在*些過程中用來進展硅片對齊，這個參考需要被保持。當前大多邊緣倒角設備是凸輪驅動并有特定的路徑，來替代硅片的.，這樣，整個硅片邊緣倒角時就不會發生任何問題了。倒角磨輪倒角磨輪是用來進展邊緣倒角的一個金屬圓盤，直徑約為2-4英寸左右。磨輪約0.25英寸厚，有一子彈頭式凹槽在圓盤邊緣。磨輪的研磨外表是一層鎳-鉆涂層。

54、為了檢查并保證倒角形狀的正確，硅片邊緣輪廓可以從高放大倍率的投影儀上看到。當從屏幕上查看倒角輪廓時，需啟用一控制模板，重疊在硅片圖象上。模板的放置使它與硅片圖象一樣比例。模板的放置顯示了一個允許的區域，硅片必須與其一致。圖2.12顯示了硅片邊緣輪廓與控制模板的雙重圖象。圖2.12倒角輪廓與疊在上面的控制模板圖例倒角原因硅片邊緣進展倒角有幾個原因。一個普遍的因素是，與所有的改進一樣，這樣的邊緣能使硅片生產和器件制造階段都有更高的產率。在接下來的章節中，將討論碎片和斷裂的減少、邊緣皇冠頂附生的消除、.崩邊和斷裂當進展硅片邊緣倒角時，硅片邊緣高應力點被去除。硅片邊緣應力的下降使硅片有更高的機械強度。

55、這有利于在處理硅片時對崩邊有更強的抵抗力。已經證明在進展硅片處理時，經過倒角的硅片與未經過倒角的硅片相比，順利通過流程而沒有崩邊的要多的多。而且，在有襯墊或圓盤在硅片外表移動的步驟中，如磨片和拋光時，沒有經過倒角的，有尖利、粗糙邊緣的硅片因對其邊緣的撞擊會造成崩邊。而對于已倒角的硅片，即使有撞擊等，也不會引起崩邊。外延邊緣皇冠頂當在硅片上生長外延時，外延層會在有微粒突出和高應力區域生長的更快些。因為在未進展倒角之前，這兩種情況存在于硅片邊緣，外延層就會趨向于在邊緣生長的更快。這就導致在硅片邊緣有小的隆起見圖2.13。這個隆起稱為外延邊緣皇冠頂并且會在以后的器件制作過程引起一些問題。如果硅片的邊

56、緣已經倒角，就不會再有高應力點或微粒突起在邊緣使外延層得以生長，這就有利于防止外延邊緣皇冠頂的形成。然而，即使是這樣仍然會在邊緣有很小的生長，只是不會在硅片正面的外延層上形成皇冠頂，因為邊緣是錐形的。圖2.13未倒角邊緣的皇冠頂和倒角后的邊緣外延生長比照邊緣光刻膠小珠子當光刻膠應用到硅片時，是應用在旋轉的硅片上，.在硅片上的涂抗蝕劑后，旋轉速度會上升，這樣使得在硅片上的抗蝕劑甩出，形成均勻一致的薄膜。問題是由于光刻膠外表的力作用會在硅片尖利的邊緣形成小珠。如果硅片沒有進展倒角，小珠子就會粘在硅片外表；如果已經倒角了，小珠子就不會在硅片外表形成。在以前，邊緣小珠子在接觸印刷時是一個問題，但現在的

57、工藝已使其不再成為麻煩。另外，防止硅片邊緣產生這樣的小珠子有利于得到更好的流動性能，因此，它仍是極重要的。現對硅片生產過程中的切片、激光刻字和邊緣倒角局部提出幾個關聯的平安問題。切片區域涉及到幾個不同類的問題：有可能被暴露的刀片割傷；如果刀片失靈或者以*種方式彈出一些粒子，可能會傷害到眼睛。在硅片晶向檢查時，要用到*-ray，因為有射線的，特別是大局部的射線會降低操作者的機能再生能力。在激光刻字區域，當設備運行時，激光的射線有可能射入眼睛。而在倒角區域，有可能被機器夾痛。術語表切片微損傷切片微損傷切片痕跡是由刀片的振動引起的。在切片過程中，由于刀片的小小振動產生了這樣的損傷，在沿著切口的方向留下小的脊狀痕跡。切片損失切片損失是在切片過程中，因刀