矽片生產流程

簡介

矽片的准備過程從矽單晶棒開始，到清潔的拋光片結束，以能夠在絕好的環境中使用。期間，從一單晶矽棒到加工成數片能滿足特殊要求的矽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行。矽片的加工從一相對較髒的環境開始，最終在10級淨空房內完成。

工藝過程綜述

矽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量；或能消除表面沾汙和顆粒。矽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矽片受到盡可能少的損傷並且可以減少矽片的沾汙。在以下的章節中，每一步驟都會得到詳細介紹。

矽片加工過程步驟

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）

矽片加工的介紹中，從單晶矽棒開始的第一個步驟就是切片。這一步驟的關鍵是如何在將單晶矽棒加工成矽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矽片。為了盡量得到最好的矽片，矽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，對矽片的損傷也最小，並且允許矽片的翹曲也是最小。

切片是一個相對較髒的過程，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表面損傷。

矽片切割完成後，所粘的碳板和用來粘碳板的粘結劑必須從矽片上清除。在這清除和清洗過程中，很重要的一點就是保持矽片的順序，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矽片之後，矽片會被用激光刻上標識。一臺高功率的激光打印機用來在矽片表面刻上標識。矽片按從晶棒切割下的相同順序進行編碼，因而能知道矽片的正確位置。這一編碼應是統一的，用來識別矽片並知道它的來源。編碼能表明該矽片從哪一單晶棒的什麼位置切割下來的。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，從而到最終矽片拋光完畢後仍能保持。在矽片上刻下編碼後，即使矽片有遺漏，也能追溯到原來位置，而且如果趨向明了，那麼就可以采取正確的措施。激光標識可以在矽片的正面也可在背面，盡管正面通常會被用到。

倒角

當切片完成後，矽片有比較尖利的邊緣，就需要進行倒角從而形成子彈式的光滑的邊緣。倒角後的矽片邊緣有低的中心應力，因而使之更牢固。這個矽片邊緣的強化，能使之在以後的矽片加工過程中，降低矽片的碎裂程度。圖1.1舉例說明了切片、激光標識和倒角的過程。

磨片（Class 500k）

接下來的步驟是為了清除切片過程及激光標識時產生的不同損傷，這是磨片過程中要完成的。在磨片時，矽片被放置在載體上，並圍繞放置在一些磨盤上。矽片的兩側都能與磨盤接觸，從而使矽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，可讓研磨砂分布在矽片上，並隨磨片機運動。磨片可將切片造成的嚴重損傷清除，只留下一些均衡的淺顯的傷痕；磨片的第二個好處是經磨片之後，矽片非常平整，因為磨盤是極其平整的。

磨片過程主要是一個機械過程，磨盤壓迫矽片表面的研磨砂。研磨砂是由將氧化鋁溶液延緩煆燒後形成的細小顆粒組成的，它能將矽的外層研磨去。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）

磨片之後，矽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。兩種方法都被應用於溶解矽片表面的損傷部分。

背損傷（Class 100k）

在矽片的背面進行機械損傷是為了形成金屬吸雜中心。當矽片達到一定溫度時?，如Fe, Ni, Cr, Zn等會降低載流子壽命的金屬原子就會在矽體內運動。當這些原子在矽片背面遇到損傷點，它們就會被誘陷並本能地從內部移動到損傷點。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，磨損則用刷子在矽片表面磨擦。其他一些損傷方法還有：澱積一層多晶矽和產生一化學生長層。

邊緣拋光

矽片邊緣拋光的目的是為了去除在矽片邊緣殘留的腐蝕坑。當矽片邊緣變得光滑，矽片邊緣的應力也會變得均勻。應力的均勻分布，使矽片更堅固。拋光後的邊緣能將顆粒灰塵的吸附降到最低。矽片邊緣的拋光方法類似於矽片表面的拋光。矽片由一真空吸頭吸住，以一定角度在一旋轉桶內旋轉且不妨礙桶的垂直旋轉。該桶有一拋光襯墊並有砂漿流過，用一化學/機械拋光法將矽片邊緣的腐蝕坑清除。另一種方法是只對矽片邊緣進行酸腐蝕。

預熱清洗（Class 1k）

在矽片進入抵抗穩定前，需要清潔，將有機物及金屬沾汙清除，如果有金屬殘留在矽片表面，當進入抵抗穩定過程，溫度升高時，會進入矽體內。這裏的清洗過程是將矽片浸沒在能清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；然後，用氫氟酸（HF）將矽片表面的氧化層溶解以清除汙物。

抵抗穩定——退火（Class 1k）

矽片在CZ爐內高濃度的氧氛圍裏生長。因為絕大部分的氧是惰性的，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，就會使矽片的電阻率測試不正確。要防止這一問題的發生，矽片必須首先加熱到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。然後對矽片進行急冷，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-施主的特性，並使真正的電阻率穩定下來。

背封（Class 10k）

對於重摻的矽片來說，會經過一個高溫階段，在矽片背面澱積一層薄膜，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：二氧化矽（SiO2）、氮化矽（Si3N4）、多晶矽。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，而如果采用多晶矽，除了主要作為密封劑外，還起到了外部吸雜作用。

粘片（Class 10k）在矽片進入拋光之前，先要進行粘片。粘片必須保證矽片能拋光平整。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矽片粘合，並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。粘的蠟能防止當矽片在一側面的載體下拋光時矽片的移動。蠟粘片只對單面拋光的矽片有用。

另一方法就是模板粘片，有兩種不同變異。一種只適用於單面拋光，用這種方法，矽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，矽片的邊緣不會完全支撐到側面載體，矽片就不是硬接觸，而是"漂浮"在物體上。當正面進行拋光時，單面的粘片保護了矽片的背面。另一種方法適用於雙面的拋光。用這種方法，放置矽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行拋光時，兩面能同時進行，操作類似於磨片機。矽片的兩個拋光襯墊放置在相反的方向，這樣矽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。這就有利於防止矽片被推向堅硬的載體而導致矽片邊緣遭到損壞。？除了許多加載在矽片邊緣負荷，當矽片隨載體運轉時，邊緣不大可能會被損壞。

拋光（Class ≤1k）

矽片拋光的目的是得到一非常光滑、平整、無任何損傷的矽表面。拋光的過程類似於磨片的過程，只是過程的基礎不同。磨片時，矽片進行的是機械的研磨；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表面的原因。

拋光時，用特制的拋光襯墊和特殊的拋光砂對矽片進行化學/機械拋光。矽片拋光面是旋轉的，在一定壓力下，並經覆蓋在襯墊上的研磨砂。拋光砂由矽膠和一特殊的高pH值的化學試劑組成。這種高pH的化學試劑能氧化矽片表面，又以機械方式用含有矽膠的拋光砂將氧化層從表面磨去。

矽片通常要經多步拋光。第一步是粗拋，用較硬襯墊，拋光砂更易與之反應，而且比後面的拋光中用到的砂中有更多粗糙的矽膠顆粒。第一步是為了清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矽膠顆粒的拋光砂。清除剩餘損傷和薄霧的最終的拋光稱為精拋。

檢查前清洗（class 10）

矽片拋光後，表面有大量的沾汙物，絕大部分是來自於拋光過程的顆粒。拋光過程是一個化學/機械過程，集中了大量的顆粒。為了能對矽片進行檢查，需進行清洗以除去大部分的顆粒。通過這次清洗，矽片的清潔度仍不能滿足客戶的要求，但能對其進行檢查了。

通常的清洗方法是在拋光後用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汙。

檢查

經過拋光、清洗之後，就可以進行檢查了。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，矽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

矽片檢查完後，就要進行最終的清洗以清除剩餘在矽片表面的所有顆粒。主要的沾汙物是檢查前清洗後仍留在矽片表面的金屬離子。這些金屬離子來自於各不同的用到金屬與矽片接觸的加工過程，如切片、磨片。一些金屬離子甚至來自於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清除殘留在矽片表面的金屬離子。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標准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清洗完矽片後，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）應流經矽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

矽片的最終清洗完成後，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。因為激光是短波中高強度的波源。激光在矽片表面反射。如果表面沒有任何問題，光打到矽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並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，矽片的包裝是非常重要的。包裝的目的是為矽片提供一個無塵的環境，並使矽片在運輸時不受到任何損傷；包裝還可以防止矽片受潮。如果一片好的矽片被放置在一容器內，並讓它受到汙染，它的汙染程度會與在矽片加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，因為在矽片生產過程中，隨著每一步驟的完成，矽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並且是無塵的，如此矽片表面才不會被汙染。

上一篇：矽片的用途

下一篇：矽片清洗及原理