簡介
硅片的準(zhǔn)備過程從硅單晶棒開始，到清潔的拋光片結(jié)束，以能夠在絕好的環(huán)境中使用。期間，從一單晶硅棒到加工成數(shù)片能滿足特殊要求的硅片要經(jīng)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(huán)境中進(jìn)行。硅片的加工從一相對較臟的環(huán)境開始，最終在10級凈空房內(nèi)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；能減少不期望的表面損傷的數(shù)量；或能消除表面沾污和顆粒。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?yàn)檫@些步驟的決定能使硅片受到盡可能少的損傷并且可以減少硅片的沾污。在以下的章節(jié)中，每一步驟都會得到詳細(xì)介紹。
硅片加工過程步驟
1.?????? 切片
2.?????? 激光標(biāo)識
3.?????? 倒角
4.?????? 磨片
5.?????? 腐蝕
6.?????? 背損傷
7.?????? 邊緣鏡面拋光
8.?????? 預(yù)熱清洗
9.?????? 抵抗穩(wěn)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(yùn)
切片（class 500k）
硅片加工的介紹中，從單晶硅棒開始的第一個步驟就是切片。這一步驟的關(guān)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。切片過程定義了平整度可以基本上適合器件的制備。
切片過程中有兩種主要方式——內(nèi)圓切割和線切割。這兩種形式的切割方式被應(yīng)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(chǎn)生大量的顆粒和大量的很淺表面損傷。
硅片切割完成后，所粘的碳板和用來粘碳板的粘結(jié)劑必須從硅片上清除。在這清除和清洗過程中，很重要的一點(diǎn)就是保持硅片的順序，因?yàn)檫@時它們還沒有被標(biāo)識區(qū)分。?
激光標(biāo)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(biāo)識。一臺高功率的激光打印機(jī)用來在硅片表面刻上標(biāo)識。硅片按從晶棒切割下的相同順序進(jìn)行編碼，因而能知道硅片的正確位置。這一編碼應(yīng)是統(tǒng)一的，用來識別硅片并知道它的來源。編碼能表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?yàn)閱尉У恼w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，那么就可以采取正確的措施。激光標(biāo)識可以在硅片的正面也可在背面，盡管正面通常會被用到。
倒角
當(dāng)切片完成后，硅片有比較尖利的邊緣，就需要進(jìn)行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(yīng)力，因而使之更牢固。這個硅片邊緣的強(qiáng)化，能使之在以后的硅片加工過程中，降低硅片的碎裂程度。圖1.1舉例說明了切片、激光標(biāo)識和倒角的過程。
磨片（Class 500k）
接下來的步驟是為了清除切片過程及激光標(biāo)識時產(chǎn)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(cè)都能與磨盤接觸，從而使硅片的兩側(cè)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(jī)運(yùn)動。磨片可將切片造成的嚴(yán)重?fù)p傷清除，只留下一些均衡的淺顯的傷痕；磨片的第二個好處是經(jīng)磨片之后，硅片非常平整，因?yàn)槟ケP是極其平整的。
磨片過程主要是一個機(jī)械過程，磨盤壓迫硅片表面的研磨砂。研磨砂是由將氧化鋁溶液延緩煅燒后形成的細(xì)小顆粒組成的，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，硅片表面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(xué)方法。有兩種基本腐蝕方法：堿腐蝕和酸腐蝕。兩種方法都被應(yīng)用于溶解硅片表面的損傷部分。
背損傷（Class 100k）
在硅片的背面進(jìn)行機(jī)械損傷是為了形成金屬吸雜中心。當(dāng)硅片達(dá)到一定溫度時?，如Fe, Ni, Cr, Zn等會降低載流子壽命的金屬原子就會在硅體內(nèi)運(yùn)動。當(dāng)這些原子在硅片背面遇到損傷點(diǎn)，它們就會被誘陷并本能地從內(nèi)部移動到損傷點(diǎn)。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，磨損則用刷子在硅片表面磨擦。其他一些損傷方法還有：淀積一層多晶硅和產(chǎn)生一化學(xué)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(dāng)硅片邊緣變得光滑，硅片邊緣的應(yīng)力也會變得均勻。應(yīng)力的均勻分布，使硅片更堅(jiān)固。拋光后的邊緣能將顆?；覊m的吸附降到最低。硅片邊緣的拋光方法類似于硅片表面的拋光。硅片由一真空吸頭吸住，以一定角度在一旋轉(zhuǎn)桶內(nèi)旋轉(zhuǎn)且不妨礙桶的垂直旋轉(zhuǎn)。該桶有一拋光襯墊并有砂漿流過，用一化學(xué)/機(jī)械拋光法將硅片邊緣的腐蝕坑清除。另一種方法是只對硅片邊緣進(jìn)行酸腐蝕。
預(yù)熱清洗（Class 1k）
在硅片進(jìn)入抵抗穩(wěn)定前，需要清潔，將有機(jī)物及金屬沾污清除，如果有金屬殘留在硅片表面，當(dāng)進(jìn)入抵抗穩(wěn)定過程，溫度升高時，會進(jìn)入硅體內(nèi)。這里的清洗過程是將硅片浸沒在能清除有機(jī)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(xué)清洗液中；然后，用氫氟酸（HF）將硅片表面的氧化層溶解以清除污物。
抵抗穩(wěn)定——退火（Class 1k）
硅片在CZ爐內(nèi)高濃度的氧氛圍里生長。因?yàn)榻^大部分的氧是惰性的，然而仍有少數(shù)的氧會形成小基團(tuán)。這些基團(tuán)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(fā)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(tuán)而不會影響電阻率。然后對硅片進(jìn)行急冷，以阻礙小的氧基團(tuán)的形成。這一過程可以有效的消除氧作為n-施主的特性，并使真正的電阻率穩(wěn)定下來。
背封（Class 10k）
對于重?fù)降墓杵瑏碚f，會經(jīng)過一個高溫階段，在硅片背面淀積一層薄膜，能阻止摻雜劑的向外擴(kuò)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(yán)格地認(rèn)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。
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粘片（Class 10k）在硅片進(jìn)入拋光之前，先要進(jìn)行粘片。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，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表面？。這一表面為拋光提供了一個固體參考平面。粘的蠟?zāi)芊乐巩?dāng)硅片在一側(cè)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(cè)面載體，硅片就不是硬接觸，而是“漂浮”在物體上。當(dāng)正面進(jìn)行拋光時，單面的粘片保護(hù)了硅片的背面。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(cè)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(jī)器上進(jìn)行拋光時，兩面能同時進(jìn)行，操作類似于磨片機(jī)。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(chǎn)生的應(yīng)力會相互抵消。這就有利于防止硅片被推向堅(jiān)硬的載體而導(dǎo)致硅片邊緣遭到損壞。？除了許多加載在硅片邊緣負(fù)荷，當(dāng)硅片隨載體運(yùn)轉(zhuǎn)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、無任何損傷的硅表面。拋光的過程類似于磨片的過程，只是過程的基礎(chǔ)不同。磨片時，硅片進(jìn)行的是機(jī)械的研磨；而在拋光時，是一個化學(xué)/機(jī)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表面的原因。
拋光時，用特制的拋光襯墊和特殊的拋光砂對硅片進(jìn)行化學(xué)/機(jī)械拋光。硅片拋光面是旋轉(zhuǎn)的，在一定壓力下，并經(jīng)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(xué)試劑組成。這種高pH的化學(xué)試劑能氧化硅片表面，又以機(jī)械方式用含有硅膠的拋光砂將氧化層從表面磨去。
硅片通常要經(jīng)多步拋光。第一步是粗拋，用較硬襯墊，拋光砂更易與之反應(yīng)，而且比后面的拋光中用到的砂中有更多粗糙的硅膠顆粒。第一步是為了清除腐蝕斑和一些機(jī)械損傷。在接下來的拋光中，用軟襯、含較少化學(xué)試劑和細(xì)的硅膠顆粒的拋光砂。清除剩余損傷和薄霧的最終的拋光稱為精拋。
檢查前清洗（class 10）
硅片拋光后，表面有大量的沾污物，絕大部分是來自于拋光過程的顆粒。拋光過程是一個化學(xué)/機(jī)械過程，集中了大量的顆粒。為了能對硅片進(jìn)行檢查，需進(jìn)行清洗以除去大部分的顆粒。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(jìn)行檢查了。
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，這種方法更能有效清除金屬沾污。?
檢查
經(jīng)過拋光、清洗之后，就可以進(jìn)行檢查了。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(shù)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(diǎn)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
硅片檢查完后，就要進(jìn)行最終的清洗以清除剩余在硅片表面的所有顆粒。主要的沾污物是檢查前清洗后仍留在硅片表面的金屬離子。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(xué)試劑。因此，最終的清洗主要是為了清除殘留在硅片表面的金屬離子。這樣做的原因是金屬離子能導(dǎo)致少數(shù)載流子壽命，從而會使器件性能降低。SC-1標(biāo)準(zhǔn)清洗液對清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，可能還會在表面吸附一些顆粒。一些制造商選擇PVA制的刷子來清除這些殘留顆粒。在擦洗過程中，純水或氨水（NH4OH）應(yīng)流經(jīng)硅片表面以帶走沾附的顆粒。用PVA擦片是清除顆粒的有效手段。
激光檢查
硅片的最終清洗完成后，就需要檢查表面顆粒和表面缺陷。激光檢查儀能探測到表面的顆粒和缺陷。因?yàn)榧す馐嵌滩ㄖ懈邚?qiáng)度的波源。激光在硅片表面反射。如果表面沒有任何問題，光打到硅片表面就會以相同角度反射。然而，如果光打到顆粒上或打到粗糙的平面上，光就不會以相同角度反射。反射的光會向各個方向傳播并能在不同角度被探測到。
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包裝/貨運(yùn)
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(huán)境，并使硅片在運(yùn)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內(nèi)，并讓它受到污染，它的污染程度會與在硅片加工過程中的任何階段一樣嚴(yán)重，甚至認(rèn)為這是更嚴(yán)重的問題，因?yàn)樵诠杵a(chǎn)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(huán)境，又能控制保存和運(yùn)輸時的小環(huán)境的整潔。典型的運(yùn)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(yīng)不會釋放任何氣體并且是無塵的，如此硅片表面才不會被污染。
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