 晶圆制造或晶圆生产是指一系列制造不同形状和材料的晶圆以用于微电子制造和其他应用的工艺。原始晶圆由各种材料制成，例如硅、碳化硅、铌酸锂、砷化镓、III-V 半导体材料和光电子材料。晶圆制造工艺还用于从单晶硅或多晶硅生产光伏 (PV) 晶圆。图 2.1 说明了晶圆制造的工艺流程和类别。晶圆是一种薄片材料，通常为圆形，经过镜面处理，可用于制造器件。晶圆制造之所以受到关注，很大程度上要归功于 20 世纪下半叶的半导体和微电子制造。随着 20 世纪 90 年代硅基太阳能晶圆技术的出现，大量新型机床被用于生产硅晶圆。随后几年，微电子行业开始采用线锯作为晶圆切割的主流技术，导致生产线从内径 (ID) 锯全面转变为线锯。这些机床促进了微电子制造中直径 300 毫米或更大的晶圆的开发。晶圆制造：通用工艺流程图 2.1 显示了晶圆制造的通用工艺流程，包括以下四类分类 [Kao (2004)]： ● 晶体生长：最终产品是具有源材料规定晶体特性的晶锭或晶块。 ● 晶圆成型：最终产品是具有规定尺寸和厚度的切片晶圆。  ● 晶圆抛光：最终产品是一块表面经过抛光的晶圆，可用于微电子制造；有些晶圆，例如光伏晶圆，可能不需要此工艺。 ● 晶圆制备：最终产品是一包原始晶圆，可用于在洁净室环境中制造微电子器件。 在以下章节中，我们将分别讨论这四个类别。 晶体生长 晶体生长是晶圆制造的第一步。虽然晶体生长技术多种多样，但最常见的两种方法是熔体生长和气相生长，如图 2.1 所示。熔体生长可产生不同直径的块状晶锭或晶块，其尺寸可超过 300 毫米，长度可达一米。气相生长通常会产生一层薄薄的多晶晶体，类似于切片晶圆。单晶锭大多通过熔体生长工艺生产，这是生产晶锭的最常见技术。例如，传统的硅基半导体制造使用以不同晶体取向生长的硅材料，利用熔体生长，这将在以下章节中描述。 熔体生长 目前，半导体应用的单晶锭生长主要采用两种方法。它们是 Czochralski (CZ) 晶体生长和浮区 (FZ) 晶体生长技术。CZ 方法是最流行的方法，占半导体行业生长的所有硅晶体的 80% 以上。随着晶圆直径越来越大的趋势，CZ 方法是最适合晶体生长的技术。 Czochralski 生长 (CZ) Czochralski 生长 (CZ) 工艺以波兰科学家 Jan Czochralski 的名字命名，他在 1916 年研究金属结晶时发明了这种方法。硅锭的 CZ 锭生长始于高纯度的多晶硅片，称为“装料”，如图 1.2 所示。这些材料在石英坩埚 (SiO2) 中熔化，如图 2.2 所示，还有少量元素周期表 III 族和 V 族的特定杂质元素，称为掺杂剂 1。然后将坩埚中的材料加热到高于熔点的温度，对于硅来说大约为 1420 ∘C。图 2.2 所示的石英坩埚通过射频 (RF) 加热或热电阻加热进行感应加热。多晶硅和掺杂剂材料熔化后，将由具有规定晶体取向的单晶硅晶体制成的籽晶浸入熔融的硅中，称为“熔体”，然后以适当控制的速率拉出。在精心控制的旋转和提拉工艺参数下，如图 2.2 所示，熔体中的材料将在熔体表面的固液界面处凝固（或冻结），从而准确复制籽晶的晶体结构。晶种由晶种支架（图 2.2 中未显示）固定，晶种支架用于拉动和旋转晶体。  在生长窄颈时拉动速度最快（约 120-300 mm h-1 ），以尽量减少初始位错缺陷。颈部形成后，降低拉动速度，以便正确控制和形成肩部，使硅锭过渡到所需的尺寸，随后保持稳定生长。图 2.3 显示了通过 CZ 法生长的单晶硅锭的照片。该图从顶部开始依次为晶种部分、颈部部分和肩部，最后过渡到目标直径为 200 mm 的硅锭本体部分。随着固体慢慢上升到熔体上方，晶种和熔体之间的表面张力会使一层薄薄的硅粘附在晶种上，然后冷却。冷却时，熔化硅中的原子会根据晶种的晶体结构进行取向。因此，成品硅锭将具有与种子相同的晶体取向。生长硅锭所需的总时间可能是一周到一个月，这取决于许多因素，特别是尺寸和质量 [Gise and Blanchard (1986)]。  为了实现均匀性并避免形成局部热区或冷区，装有熔体的坩埚以 12-14 rpm 的速度朝一个方向旋转，而种子支架以该角速度的一半朝相反方向旋转，速度为 6-8 rpm。在生长过程中，坩埚轴和支撑机构（如图 2.2 所示）也会提升坩埚系统以保持一致的固液界面，因为随着晶锭的生长和拉制，坩埚中的熔体水平将相对于炉子的热区区域下降。生长过程受到严格监控和控制，以生产出所需直径的硅锭。惰性气体（例如氩气）通常用作生长室中的环境气体。 在模拟 CZ 晶体生长时，可以通过建立和求解微分方程来推导拉晶速度与晶体直径之间的关系 [Plummer 等 (2000)]。可以得到以下最大拉晶速率方程：    对于硅锭的生长，可以采用以下 SI 单位值：L = 1.7877 × 106 J∕kg，N = 室温下 2329 kg m−3，熔点下 2570 kg   因此，直径为 150 毫米（6 英寸）的硅锭的 CZ 生长最大拉速约为 215 毫米 h-1 。实际拉速小于该理论最大速率。参考公式 (2.1) 和图 2.4，450 毫米硅锭的 CZ 生长最大理论拉速为 125 毫米 h-1 。 液封直拉生长 (LEC) 液封直拉生长，也称为 LEC 技术，可以从含有在熔点产生高蒸气压的化学元素的材料中生长单晶。这种改进的直拉技术被广泛用于生长 III-V 化合物半导体单晶，例如 GaAs。在使用 LEC 方法生长 GaAs 时，三氧化硼的熔点低于晶体材料（预合成的多晶块或元素 Ga 和 As），可用于将整个熔体封装在坩埚中 [Hurle (1994)；Mullin (1993)；Mullin 等人 (1965)]。这些晶体源材料与三氧化硼颗粒一起放置在 CZ 生长坩埚中。在约 460 ∘C 时，三氧化硼熔化形成一层厚而粘稠的液体，覆盖在坩埚中生长的整个晶体熔体上。这层三氧化硼与 CZ 晶体生长室中的惰性气体压力一起，可防止挥发性 V 族元素升华。温度升高直到化合物合成。然后将种子晶体通过三氧化硼层浸入熔体中。种子旋转并缓慢拉动，形成单晶锭。 根据 Jurisch 和 Eichler (2003) 的说法，GaAs 单晶于 1964 年由 RSRE 首次采用 LEC 方法生长。GaAs 晶体的直径后来增加到 2 英寸，由贝尔实验室于 1971 年生长，由 Westinghouse 于 1984 年生长为 100 毫米，由 Litton Airtron 于 1991 年生长为 150 毫米，由 FCM 于 2000 年生长为 200 毫米。 对 CZ 晶体生长进行了大量研究；以下列出一些以供进一步参考：Dhanaraj 等人 (2010)；Feigelson (2004)；Fickett 和 Miha-lik (2001)；Hurle (1994)；Krause 等人 (2003)；Lu 和 Kimbel (2011)；Mullin (1993)；Noghabi 等人 (2011)； Wang 等人（2003 年、2006 年）。 浮区生长 (FZ) 浮区生长 (FZ) 在硅净化过程中使用均匀、无裂纹的圆柱形多晶硅棒。如图 2.5 所示，多晶硅棒配置在充满惰性气体的生长室顶部。放置具有所需晶体取向的籽晶，使其与多晶硅棒的底部接触。将感应加热线圈放置在棒周围，以熔化棒的一小段或一小段，从部分籽晶开始。固体籽晶和棒熔体之间的界面处的熔融区域凝固，并呈现与籽晶相同的晶体取向。浮区约为 20 毫米。随着单晶锭在生长室下部凝固，该熔体浮区逐渐向上移动，如图 2.5 所示。锭的直径由加热线圈向上移动时的运动决定。加热线圈移动的速度得到适当控制，以防止浮动区在此过程中塌陷。FZ 生长法适用于小直径的硅锭，通常不大于 75 毫米。  FZ 生长法不需要坩埚 (SiO2)，可生产出低氧和低碳含量的硅锭，电阻率高于 CZ 生长的硅锭。FZ 生长具有更高的纯度和更少的微缺陷，可使太阳能电池的效率提高 10-20%。此外，生长机制允许更快的生长速度和局部区域的加热-冷却时间，并具有显著的经济优势。使用 FZ 生长可以制造出纯度极高的硅晶片。这种晶体晶片是功率二极管、功率晶体管、晶闸管、整流器和可控硅整流器 (SCR) 等器件制造的首选。 CZ 和 FZ 生长方法的比较 表 2.1 比较了两种单晶锭生长方法的特点。值得注意的是，CZ 方法的生长速度比 FZ 快。此外，CZ 生长方法可以生产出直径更大的锭，这对于当今需要大直径锭的硅工业来说是一个非常重要的优势。然而，FZ 生长可以生产出氧和碳含量较低的锭，这对某些设备来说是理想的。FZ 技术也可用于净化目的，称为区域精炼。使用 CZ 方法生长锭需要坩埚和更多活动部件；因此，它需要更高的初始成本和维护费用。  布里奇曼生长法 布里奇曼生长法，也称为布里奇曼-斯托克巴格生长法，以珀西·W·布里奇曼和唐纳德·C·斯托克巴格命名，用于在典型的双区炉中使用温控冷却生长单晶和多晶锭。布里奇曼法在生产 III-V 半导体化合物、II-VI 化合物和某些压电晶体方面很受欢迎。当工艺得到良好控制时，它可以实现低水平的热应力和低位错密度 [Cröll and Volz (2009)]。 这种晶体生长方法利用了温度梯度，因为炉子相对于安瓿瓶中的熔体从热到冷移动。生长炉的配置可以是水平（如图 2.6 所示）或垂直（如图 2.7 所示）。多晶材料通常在高真空下密封在石英安瓿瓶中，并在炉子的热区中加热到熔点以上，温度分布受控。具有所需晶体取向的单晶种子用于在熔体中逐渐传播以形成单晶锭，同时熔体缓慢凝固以形成晶锭。 Bridgman 和 Stockbarger 方法之间的区别在于熔体凝固时温度梯度的控制。Bridgman 方法使用双区不受控制的温度梯度，如图 2.6 所示。在这种配置中，双区炉相对于安瓿从左向右缓慢移动，使安瓿中的熔体逐渐冷却。温度分布表明热区高于熔点 (Tm)，而冷区处于较低温度 (Tc)。另一方面，Stockbarger 方法利用温控炉更好地控制熔体-固体界面的温度梯度。如图 2.7 所示，控温炉从下至上冷却石英安瓿瓶中的熔体，同时将温度逐渐降低至熔点 Tm 以下，从而使熔体凝固，生成晶锭。炉子长度上的温度分布显示了熔体逐渐冷却的效果。图 2.7 也可以配置为炉子向上移动，逐渐冷却安瓿瓶中的熔体，以生成单晶锭。该过程通常需要很长时间，例如 10-15 天，具体取决于晶体的大小。 然而，如今，布里奇曼生长法这一名称通常用于指一系列水平和垂直排列的生长技术，如图 2.6 和 2.7 所示，有或没有温度梯度控制。  此外，布里奇曼生长技术很少用于生产硅锭。尽管如此，它经常用于生长单晶砷化镓——一种 III-V 族半导体化合物。如图 2.6 所示，当利用水平双区布里奇曼生长炉生长砷化镓时，热区保持在略高于熔点的温度 Tm = 1240 ∘C，而冷区保持在 Tc = 610 ∘C。安瓿瓶中的多晶 GaAs 原料库存保持在热区熔化，同时允许安瓿瓶内有足够的额外砷以防止砷从 GaAs 熔体中流失。 其他熔体生长方法 还有其他熔体生长技术，例如泡生技术。与 CZ 生长方法一样，种子与熔体接触，但在开始拉晶之前，晶体顶部是平的 [Dhanaraj 等人 (2010)]。这往往会降低孪晶的发生率。此时，当晶体在沿垂直于晶体生长轴的方向生长期间达到预期直径时，将开始拉晶。在拉晶之前，需要磁场来稳定平顶的生长。泡生法通常用于碱金属卤化物的生长，以避免容器生长的开裂问题，用于制造光学元件。 有趣的是，Wells (1946) 的一篇综述论文中只承认了三种晶体技术。它们是布里奇曼法、泡生法和固态重结晶 [Dhanaraj et al. (2010)]。当时，CZ 生长法并不被认为是一种生长大晶体的技术。1947 年贝尔实验室发明第一个晶体管后（参见第 1.2.2 节），贝尔实验室和德州仪器展示了锗和硅的生长，晶体生长技术以 Czochralski 命名 [Dhanaraj et al. (2010)]。 气相生长 固体晶体可以通过在适当的条件和配置下将蒸汽或气体分子附着在固体表面上来生长。这通常被称为“气相生长”。这种气相生长过程要求蒸汽或气体分子在固体表面上的沉积速率大于固体表面上分子变成气态的速率。这种非平衡状态称为过饱和。过饱和是通过将固体晶体保持在比气体更低的温度来实现的。使用具有规定晶体结构和取向的晶种，气体分子复制相同的晶体结构，同时附着在晶种晶体的表面上。气相生长是一个缓慢的过程，每次只进行一个分子，每次只构建一层。尽管该过程很慢，但气相生长法可以生产出非常纯净的晶体。该过程保持在远低于晶体熔点的温度下，以降低密度和缺陷。 蒸汽晶体的生长可以用蒸汽-液体-固体 (VLS) 机制来描述 [Wagner and Ellis (1964)]。这种方法在细丝、块状晶体和外延层的生长中有着广泛的应用。外延生长 外延生长是一种蒸汽生长过程，是指在晶体衬底上产生所需晶体沉积层的生长过程。覆盖的层称为外延层或外延膜或外延层。对于半导体制造中的应用，沉积的材料理想情况下应形成具有相对于衬底晶体结构的明确晶体取向的单晶层，如图 2.8 所示。当外延生长过程开始时，界面就建立了。这通常被称为“同质外延”，其中晶体层生长在相同材料的衬底上。 为了使外延生长工艺产生预期的结果，需要对晶圆衬底进行研磨或抛光、清洁和抛光，然后浸入一系列化学剂中，例如硫酸、过氧化氢，然后用水和去离子水冲洗，并用异丙醇干燥。图 2.9 显示了这样一个过程。重复此蚀刻循环，然后进行每个晶体层生长循环。外延工艺用于逻辑门、双极结晶体管、互补金属氧化物半导体 (CMOS)、III-V 基光学设备等硅基半导体制造工艺。外延工艺中需要考虑的问题包括沉积的均匀性、电阻率、掺杂剂密度和厚度，以及工艺控制以保持纯度、减少缺陷并在制造过程和后续处理过程中保护表面。  由外延工艺制成的硅晶片通常使用气相外延生长，这是化学气相沉积 (CVD) 工艺的一种改进。分子束和液相外延也用于 III-V 和 II-IV 以及其他化合物半导体材料。外延硅通常由两种源气体（四氯化硅和氢气）在约 1200 ∘C 下生长  该反应有两种气体源（SiCl4 和 H2），它们产生一种用于外延沉积的固体（Si）和另一种气体（HCl）。如果生长速度超过每分钟两微米，就会生长出多晶硅。另一方面，如果存在过多的氯化氢（HCl）副产物，晶片的蚀刻反应将与硅的沉积竞争，当蚀刻速度超过沉积速度时，会导致负生长率。因此，工艺和参数的控制对于在硅衬底顶部产生具有一致取向的单晶硅外延层非常重要。硅的气相外延工艺也可以使用硅烷、二氯硅烷或三氯硅烷作为气体源。例如，硅烷反应也可以产生用于沉积的硅，如下所示  反应在 650 ∘C 的较低温度下进行。该反应不会产生会蚀刻硅的副产品 (HCl)；但是，除非严格控制外延生长过程，否则该反应会产生多晶硅外延层，并允许氧化物污染外延层。 铸造多晶硅 光伏晶片通常由多晶硅晶体切割而成，方法是熔化硅原料并铸造冷却。所得多晶硅锭通常具有方形横截面积。防止裂纹形成并在热冷却过程中保持铸件的均匀性是成功生产此类晶体的关键。其他晶体生长方法 除了本节（第 2.3 节）中描述的两种最常见的晶体生长方法以及与前面几节中介绍的两种方法相关的各种方法外，还开发了其他晶体生长方法，并用于生长不同材料的晶体。 Pamplin（1980）提出了四种晶体生长方法，即（i）熔体生长（第 2.3.1 节）、（ii）蒸汽生长（第 2.3.2 节）、（iii）固态生长和（iv）溶液生长。这在图 2.10 中进行了说明，前面几节中说明了某些单独的方法。例如，助熔剂生长法是一种需要相对简单设备的溶液生长。它可以以一致和不一致的方式生长熔化材料。虽然助熔剂法生长所需的时间较短，但它无法生产出直径较大的晶体[Canfield and Fisk (1992); Fisk and Remeika (1989)]。  晶圆成型 晶体生长后的晶圆制造过程是晶圆成型过程，包括裁剪、修整、取向识别、切片和边缘圆化，这些将在以下部分中介绍。 裁剪 晶锭生长完成后，两端均被裁剪。种子可以重复使用。生长过程的尾端通常含有较高浓度的杂质，需要去除。当两端被正确去除后，最终结果是裁剪后的晶锭。修整 裁剪后的晶锭随后被修整为比成品硅片所需直径稍大的粗略直径。通常使用金刚石研磨机进行此修整过程，将晶锭的形状塑造为具有指定直径的均匀圆柱体，以便切片。 取向识别 然后使用适当的取向平面研磨经过修整过程后的均匀直径晶锭，以指示直径小于或等于 200 毫米的晶圆的晶体取向，如表 1.3 中总结的那样。对于直径较大的晶圆，可使用凹槽来识别 [1 1 0] 的晶体取向，如图 1.3 所示。 晶种决定了晶圆表面上的晶面；但是，晶体的其他轴沿晶圆的周长变化，并由晶锭的旋转位置决定。单晶锭和晶圆是各向异性的，具有优先解理面，如第 1.5.2 节所示。将电路芯片与解理面精确对齐对于制造的良率和后续的器件分离（划片和断裂）至关重要。这种对齐是通过指示晶圆上的取向平面和凹槽来实现的。在研磨取向平面或凹槽之前，使用 X 射线衍射来确定晶体取向。 切片 经过取向识别研磨并通过一系列检查后，修整后的晶锭被切成厚度略大于所需规格的晶圆。此过程有时称为晶圆切割。晶圆切片是晶圆制造中晶圆成型过程的第一步。切片过程中需要考虑的问题包括：边缘剥落、出口损伤、弯曲、表面翘曲和表面下裂纹。切片不仅对晶圆成型的成功至关重要，而且对后续的抛光和制备过程也至关重要。半导体材料通常很脆；因此，许多传统的金属加工工具不能轻易用于以必要的高产量和质量切割这种脆性材料。虽然需要将锭切成晶圆片，但需要将切片过程造成的切口损失降至最低，以最大限度地提高晶圆产量。因此，多年来，人们一直采用不同类型的机床进行晶圆切片。 用于晶圆切片的传统且第一种机床技术是内径 (ID) 锯。由于需要切割厚度较小（如光伏晶圆）或直径较大（如 300 毫米晶圆）的晶圆，现代浆料线锯在 20 世纪 90 年代中期已大大取代 ID 锯成为首选制造工具。自 2000 年代初以来，使用浸渍有磨料（如金刚石、碳化硼或碳化硅）的线锯也已用于切割不同材料的锭。在以下各节中，将介绍每种用于切片的机床并进行比较。 使用内径 (ID) 锯进行切片 在 20 世纪 90 年代初引入线锯之前，内径 (ID) 锯是将晶锭切成晶片（尤其是硅晶片）的标准机床。图 2.11 显示了 ID 锯的示意图。从图 2.11 中可以看出，同心环形锯片的内径边缘用于切割晶锭，因此得名内径锯。ID 锯的刀片非常薄4，以减少切口损失，并使用环形夹具上的夹紧和张紧螺钉以非常高的张力向外径向拉伸。ID 锯的切削刃涂有金刚石粉末，以切割晶体材料，例如硅。中心孔的空间需要容纳安装在夹具上的晶锭。ID 锯以高 RPM5 旋转，导致切割或加工界面处的刀片速度为 18 至 21 m s−1。根据要切片的材料调整刀片速度。当 ID 刀片旋转并穿过晶锭的横截面时，如图 2.11 所示，当晶锭被完全切开时，即可获得一片晶圆 [Kao (2004)]。使用线锯切片  术语“线锯”用于指代大量使用单根线跨越线网表面来切割晶锭并使用磨料浆的机床。通常，线锯和浆料线锯可互换使用。在文献中可以找到许多本书中称为线锯的制造机器的名称。一些人称之为“多线锯”，这是误导性的，因为只有一根连续的线用于跨越似乎由多根线组成的线网。其他人简单地称之为“线锯”，但这可以指使用一根或多根线的许多不同类型的机床。因此，本书中出现的这种机床均称为“线锯”，以保持这种专用机床的特异性，这种机床将线浸入磨料浆中用于切割硅片。图 2.12 显示了现代浆料线锯的示意图，该线锯具有线供应和收线轴，可将细钢丝缠绕在线导向器的凹槽表面，形成“线网”，以切割在线网表面进给的硅锭 [Bhagavat 等人 (2000)；Kao (2004)；Li 等人 (1998)]。 随着硅片直径的增加，ID 锯的效率降低。ID 锯可以有效切割的最大硅锭直径为 200 毫米，即 8 英寸，这已经超出了 ID 锯技术的能力极限。线锯技术进入硅片制造业，首先是通过切割光伏硅片。由于其高产量和切片表面的高质量，  如今，线锯技术已成为晶圆切片的标准。 其他切片工具 除了 ID 锯和线锯之外，还有其他机床正在使用或开发中，以满足在不同要求和标准下对不同晶体材料进行切片的各种需求。以下是一些切片工具。 金刚石浸渍或涂层线锯 这种类型的锯包括许多不同的机床设计，它们利用金刚石浸渍线进行切片。这种锯的线由延展性材料制成，圆周表面浸渍或涂覆有磨料颗粒，例如金刚石颗粒、碳化硼等。图 2.13 显示了金刚石浸渍或金刚石涂层锯的照片。图 2.13 中的锯使用表面浸渍有金刚石颗粒的线，如金刚石浸渍线的一段放大视图所示。扫描电子显微镜 (SEM) 照片显示，基于图示的 100 μm 比例，线的直径约为 200 μm。这种类型的锯可以由单根线或多根平行线组成，它们以不同的配置和设计与锭接触，用于切片。图 2.13 所示的锯只使用一根线，并且只有一个线段压在与锭的接触界面上进行切片。 这种锯的主要问题是线圆周表面上的磨料剥落。当所有磨料都被剥落后，线就失去了切割工件材料的能力。然而，涂层技术 近年来，这项技术得到了显著改进，使这项技术变得可行，并与现代线锯技术具有竞争力。  圆锯 有些锯子类似于传统木工店里的圆锯，只是外缘涂有金刚石磨料用于切割。与 ID 锯相比，这种锯子由于振动和不稳定性而往往尺寸较小，通常仅用于小尺寸的定制切割。 边缘圆化 切片工艺后，晶圆通过边缘圆化机进行加工，以去除方角外围边缘。这是研磨或表面磨削前后的必要步骤，以避免硅和其他半导体材料等脆性材料中常见的应力集中和裂纹扩展。由于晶圆加工工艺的性质（另见第 3 章），晶圆的外围边缘会形成微裂纹和毛刺，并且在搬运和加工过程中施加应力时会迅速扩展。这种边缘研磨程序大大降低了晶圆制造的其余步骤以及之后的器件制造中出现裂纹或破损的可能性。 在研磨过程中将边缘磨圆后，需要根据最终用户的规格进行抛光。此步骤可提高整体清洁度，并进一步将裂纹或破损率降低 400% [SVM (2014)]。 晶圆抛光 将晶锭切成相同厚度的晶圆后，下一组晶圆制造工艺用于抛光切片晶圆的表面。晶圆研磨和抛光工艺有两个主要目标。它们是 1. 通过去除表面缺陷、锯切工具痕迹、表面粗糙度以及亚表面损伤 (SSD) 来抛光晶圆表面。 2. 实现晶圆表面的全局平坦化，表面光洁度非常平坦，符合制造要求。 晶圆的平整度或整体平坦度是半导体工业的一个关键参数，因为晶圆平整度会直接影响后续的制造工艺和从晶圆上切割下来的半导体芯片的质量。当晶圆直径为 200 毫米或更小时，晶圆抛光工艺通常包括研磨、蚀刻和抛光。随着晶圆直径增加到 300 毫米，更大的表面积和对整体平坦度的需求促使表面磨削的发展，以提高晶圆抛光的效率和平整度管理。在当今晶圆制造的工业应用中，硅晶圆的平整度和表面损伤去除是通过研磨工艺或磨削工艺或研磨和磨削的组合来完成的。晶圆抛光工艺包括研磨、磨削、蚀刻、抛光、化学机械抛光 (CMP)，在晶圆制造中非常重要，尤其是随着硅晶圆尺寸的不断增加。晶圆表面抛光可在用于微电子制造的一侧进行，也可在晶圆的正面和背面进行。 下面将简要讨论各个步骤，包括研磨、磨削、蚀刻和抛光。 研磨 在晶圆切片和加工后，研磨过程开始。研磨可去除晶圆正面和背面的切片工具痕迹和表面缺陷。通过在研磨过程中对晶圆表面施加压力，它还可以释放切片过程中晶圆中积累的残余应力。研磨还可以去除晶圆切割过程中的一层表面损伤、裂纹、凹坑和缺陷，以及晶圆表面下的一层次表面损伤 (SSD)。由于研磨在很大程度上也是一个机械过程，尽管与切片过程中的研磨颗粒 6 相比，研磨颗粒的强力研磨力较低，但它会形成另一层较浅的 SSD。这一层需要在下一个抛光过程中去除。 研磨 研磨是一种去除晶圆形成过程中产生的表面工具痕迹、次表面裂纹和损伤的过程，并以比研磨相对更高的材料去除率更准确地减小晶圆厚度。研磨工艺已用于晶圆制造的各个步骤。例如，锭材的表面研磨可产生直径均匀的圆柱形晶圆，用于切片。边缘研磨机通过对边缘进行圆化，去除晶圆周边的微裂纹、碎片和毛刺。尽管如此，使用研磨作为一种新技术来取代晶圆抛光中的研磨只是由于 300 毫米大晶圆而产生的一项新技术发展。如果对这一过程进行适当的控制和管理，它可以取代研磨，也可以与研磨结合使用，以去除一层表面损伤、裂纹、凹坑、缺陷，同时去除一层典型的切片晶圆的 SSD。 为了在处理和加工过程中不损坏 300 毫米晶圆，需要适当的晶圆厚度（另见表 1.2）。研磨对于半导体芯片的背面研磨工艺也很重要。切割后的晶圆背面变薄有助于降低电子热阻 [Wood 等人 (2013)]。蚀刻 硅晶片研磨或表面磨削后，将使用氢氧化钠 (NaOH) 或乙酸 (CH3COOH)、硝酸 (NH3) 和氢氟酸 (HCL) 溶液进行蚀刻和清洁工艺，以减轻研磨或表面磨削造成的微观表面裂纹和纳米拓扑表面损伤。 抛光 晶片制造的最后也是最关键的步骤是抛光，可产生镜面效果。该过程在洁净室中进行7 [PCA (2014)；SVM (2014)]。大多数优质硅晶片要经过两到三个阶段的抛光，抛光液或抛光剂的精细度逐渐提高。晶片通常只抛光一面，但 300 毫米晶片除外，其两面都要抛光，以实现非常高的平整度。抛光面用于制造设备。该表面必须没有地形、微裂纹、表面下损伤、划痕和残留工作损伤。 抛光工艺主要分为两个步骤，但实际的工业实践可能因偏好和工艺设计而异。第一步是使用抛光垫和含有磨料的抛光浆去除材料，去除一层非常薄的硅并产生几乎无损伤的晶圆表面。这种抛光设备基本上包括一个固定半导体晶圆的抛光头和由抛光盘固定的抛光垫，用由非常细的磨料颗粒和化学液体组成的浆料进行抛光。浆料中的化学物质与晶圆表面的受损材料发生反应并去除它们。 第二步是使用含有氢氧化钠 (NaOH)、胶体二氧化硅和水的溶液进行 CMP。这个最后的 CMP 工艺不会去除材料。其目的是去除材料去除过程中的雾气，以生产具有镜面光洁度的晶圆，用于设备制造。 晶圆制备清洗 清洗的主要目的是去除表面污染物、金属残留物和氧化硅层。根据 RCA 清洗步骤，将晶圆浸泡在去离子水中，然后用碱性过氧化氢溶液去除污染物。SC-1 溶液由去离子水、NH4OH（氢氧化铵，按重量计占 NH3 的 29%）和 H2O2（过氧化氢，30%）组成，比例约为 5:1:1，在 75–80 ∘C 下浸泡 10 分钟。这种处理会在晶圆表面形成一层二氧化硅和金属离子污染。通过在 25 ∘C 下在 1:100 或 1:50 的氟化氢 (HF) 和 H2O 溶液中短暂浸泡约 15 秒来去除这些氧化物和污染物。如果没有超纯材料，则此步骤是可选的。去除二氧化硅和金属离子的有效方法是将晶圆浸入 SC-2 溶液中，该溶液由去离子水、HCl（盐酸，39% 重量）和 H2O2（过氧化氢，30%）组成，比例约为 5:1:1，温度为 75–80 ∘C，持续 10 分钟。晶圆清洗的标准步骤之后是高温处理。 在检查和封装晶圆之前，清洗过程非常关键。这些程序可以根据需要重复多次，以获得高纯度晶圆。改进清洗工艺以确保质量、效率、环保和成本效益，对晶圆制造来说仍然是一个挑战和机遇。不同的供应商可以修改清洗方法，以优化晶圆的质量。 检查 在抛光和最终清洗过程之后，晶圆将按规格分类并进行检查，以确保表面质量和半导体制造的准备就绪状态。可以使用光学系统（例如高强度光和激光扫描系统）检测缺陷和不需要的颗粒。 包装 如果符合检查标准的规格，则所有晶圆都包装在盒中并用胶带密封。为防止空气颗粒和水分进入盒中，在离开洁净室之前，它们被放置在真空密封的塑料袋中。 晶圆制造的工业流程 在本节中，我们根据前面几节的晶圆制造流程（如图 2.1 所示），通过晶圆制造设备和流程的图示介绍晶圆制造的工业实践，包括以下四个类别： ● 晶体生长 ● 晶圆成型 ● 晶圆抛光 ● 晶圆准备。 晶圆制造流程通过在工厂环境中拍摄的照片进行说明。 晶体生长 图 2.14 显示了带有观察窗的 Czochralski (CZ) 晶体生长设备。在图 2.14（左）中，连接到生长设备的观察窗用于监视 CZ 晶体生长过程。图 2.14（右）中的照片是从观察窗拍摄的，显示了 CZ 生长过程中的生长过程和固熔界面。CCD 相机直接连接到生长设备，可以在过程中随时获取生长界面和过程的图像。实时 CCD 相机图像如图 2.15 所示。   晶体生长过程完成后，必须从生长室中取出硅晶块/锭，以便进行后续加工。图 2.16 显示了晶块/锭的取出程序，其中显示了设备和夹具。首先，将生长的硅锭从生长室中移出并放下，如图 2.16（左）所示。接下来，将锭降低到相对于用于固定锭的夹具的位置，如图 2.16（中）所示。之后，夹具将拾起锭，进行旋转和/或配置，以便运输到晶圆成型的下一步骤。 晶圆成型 必须将长硅晶块/锭裁剪成可控的长度，以便制造晶圆。图 2.17 显示了用于将长晶块/锭切成锭段以制造晶圆的设备。之后，必须将锭的圆柱表面修整为规定的尺寸（例如，直径为 200 毫米或 300 毫米）。锭材表面研磨工艺用于修整锭材的圆柱面。图 2.18 展示了使用表面研磨设备修整之前和之后的锭材。   表面修整后，必须对锭材的晶体取向进行表征和标记，以用于晶圆切片和微电子制造工艺。晶体取向可以通过多种方法表征，包括 (i) 光学蚀刻、(ii) X 射线/电子衍射、(iii) SEM 或 TEM [Kikuchi (1990)；Schwarzer (1997)]。X 射线衍射法因其高精度和易操作性而得到广泛应用，可进一步分为衍射仪法、劳厄法和其他方法 [Kikuchi (1990)]。X 射线衍射设备如图 2.19 所示。当晶体取向得到适当测量和表征后，将在晶锭的圆柱面上配备一个取向平面（直径 200 毫米或更小）或取向凹口（300 毫米），以识别晶体取向，这在微电子制造过程中是必需的。 晶圆成型的下一步是通过“晶圆切片”工艺将晶锭切成晶圆。晶圆切片可以使用 ID 锯或线锯等设备完成，这些设备将在第 4-6 章中详细讨论。图 2.20（左）显示了用于晶圆切片的工业浆料线锯。在切片过程中，晶锭通常安装在陶瓷基座上，使浆料线锯的线网能够切过晶锭的整个横截面，同时用环氧胶将切片晶圆固定到位，环氧胶将切片晶圆固定在该陶瓷基座上。晶圆切片完成后，通过升高温度软化环氧胶以去除每个晶圆。然后，这些切片晶圆将经过切片后清洁工艺。图 2.20（中间）显示了切片后清洁晶圆的设备设置。之后，切片晶圆在研磨和抛光工艺之前经过边缘圆化或边缘轮廓化工艺，如图 2.20（右）所示。硅是一种脆性材料，如果晶圆边缘有碎片或微小裂纹，则容易形成裂纹和裂纹扩展。晶圆的边缘圆化降低了应力集中和裂纹扩展的可能性，这些应力集中和裂纹扩展可能会在晶圆制造的处理和后续加工过程中损坏晶圆，如第 2.4.8 节中更详细地所述。  晶圆研磨抛光 参考图 2.1，“晶圆成型”之后的“晶圆抛光”操作包括研磨、抛光、清洁和检查等一系列工序。下面将结合图例讨论工业企业中的这些工序。 研磨 研磨可去除晶圆表面的一层亚表面裂纹和机械晶圆切片过程中产生的损伤，从而在晶圆表面产生初始全局平坦化。图 2.21（左）显示了一台研磨机，它有五个研磨板，每个研磨板可容纳多个晶圆。这些晶圆被放置在两个反向旋转的板之间，并被注入由磨料砂砾（通常是粒度较小的氧化铝）组成的浆料。研磨可改善晶圆表面的光滑度和平坦度。研磨过程后的总厚度变化 (TTV) 通常接近 1 μm。 然而，研磨本身是一种机械自由磨料加工 (FAM) 过程，尽管其力度比切片过程小得多，但它也会造成亚表面损伤，尽管规模要小得多。酸蚀过程可去除这一小层损伤 [Kulkarni 和 Erk (2000)]。图 2.21（右）显示了研磨后的清洁设备。这层研磨后的损伤层可通过基本化学或酸蚀去除，从而产生几乎没有裂纹、损伤和晶体缺陷的表面。通常使用超声波清洗和非常短暂的蚀刻来去除蚀刻前晶圆表面的所有颗粒、有机和无机薄膜。 研磨后和预抛光 研磨后和最终抛光前使用各种设备和工艺。图 2.22 说明了这些研磨后和预抛光设备和工艺。请注意，这些工艺可能因制造商而异。 研磨和清洗工艺后，使用图 2.22(a) 所示的设备对晶圆进行酸蚀。使用图 2.22(b) 所示的 ADE 7000 设备对晶圆的表面特性进行蚀刻后检查。  图 2.22(c) 显示了用于在晶圆背面执行喷砂工艺的设备。图 2.22(d) 显示了背面清洗。图 2.22(e) 显示了进行边缘抛光以去除裂纹和粗糙边缘的设备，以防止由于后续工艺和微电子制造中产生的机械应力集中而形成和扩展裂纹。图 2.22(f) 和 (g) 分别显示了用于预多晶硅背面清洁和多晶硅背面工艺的设备。图 2.22(h) 中的设备用于预低温氧化 (LTO) 清洁，随后进行 LTO 处理。 氧化剥离工艺有两种选择：(i) 边缘氧化剥离，和 (ii) 边缘氧化剥离保护胶带。图 2.22(i) 显示了用于边缘氧化剥离保护胶带的设备。图 2.22(j) 显示了用于抛光工艺前检查的设备。图 2.22(k) 中的设备在抛光工艺之前执行预安装清洁。图 2.22(l) 显示了用于抛光的最终安装。 在研磨/抛光工艺中，晶圆背面的清洁非常重要 [Chou et al. (2005); Park and Sohn (2012); Ruzyllo and Novak (1994)]。图 2.22 中清洁各个阶段的工艺展示了这一点，特别是在生产原始晶圆的最终抛光工艺之前。硅晶圆上的杂质可分为 (i) 颗粒和薄膜，包括分子化合物、离子材料和原子种类，以及 (ii) 吸收气体，这些气体在晶圆加工中几乎没有实际影响 [Kern (1990)]。图 2.23 表明，即使是晶圆背面的小颗粒也会导致暴露在光刻工艺光线下的晶圆表面变形，从而导致焦点故障或因焦深或工艺窗口减小而变形，尤其是在特征尺寸减小的情况下 [Balu et al. (2018)]。  抛光 晶圆抛光工艺的最后一步是抛光晶圆表面以生产出可用于微电子制造的原始晶圆。图 2.24 显示了工业抛光设备对晶圆进行最终抛光以生产出原始晶圆的过程。照片右上角的放大视图提供了晶圆抛光设备的更详细图片。晶圆准备 最后，对抛光的原始晶圆进行清洁、检查并包装在“船”中以备运输。 图 2.25（左）显示了晶圆抛光后的预清洁设备。图 2.25（中）中的设备对原始晶圆进行平整度分类。图 2.25（右）中的系统执行最终清洁 - RCA 清洁（另请参见第 9.5 和 9.6 节）。   图 2.26（左）显示了晶圆外观的检查。图 2.26（中）中的设备执行粒子扫描。图 2.26（右）显示了将原始晶圆封装在“船”中，准备进行装运和微电子制造。这是晶圆制造的最后一步，之后原始晶圆便可用于微电子制造。 摘要 本章介绍了晶圆制造的工艺流程——从晶体生长到原始晶圆。讨论了晶圆制造或晶圆生产四类中的各个工艺，即 (i) 晶体生长、(ii) 晶圆成型、(iii) 晶圆抛光和 (iv) 晶圆制备。熔体生长和蒸汽生长最常用于生长单晶和多晶半导体晶体，并讨论了相关细节，包括 CZ 和 FZ 生长方法以及外延生长。介绍了从锭形成晶圆的工艺，包括裁剪、修整、取向识别、使用不同机床切片和边缘圆化。之后，介绍了与晶圆抛光相关的研磨、磨削和抛光工艺。介绍了晶圆制造的工业实践，并说明了各个制造商可能不同的晶圆制造设备和工艺。最后，准备原始晶圆，进行 RCA 清洗、检查和封装，以完成晶圆制造工艺。 |
