2.4 從單晶硅到晶圓

2.4.1 晶圓尺寸不斷擴大

圖1所示為由CZ法生長的φ300mm（12英寸）單晶硅棒，其質量可達350kg。

“硅圓片的大小為12英寸”，是指“其外徑為12英寸”。通常，以英寸或毫米為單位的外徑尺寸稱呼硅圓片的大小。

硅圓片上制作IC時的有效部分為其表面積。因此，若外徑尺寸變為1.2倍、1.3倍、……，相應制作芯片的有效面積則變為1.44倍、1.69倍、……，即按“外徑平方成比例增加”。

伴隨著IC的進步，硅圓片外徑也連續不斷地增加。但應指出的是，在集成電路制造中，隨著硅圓片外徑的變化，與其相關的所有設備也必須更新換代。

首先，制造硅圓片本身的生產設備需要更新。然后，為采用這種硅圓片來制造IC，其制造裝置及工藝自不待言，生產線等也必須設立新的標準，進行改建更新，為此要耗費大量的人力和經費。

因此，今后相當一段時間內，仍然會是不同硅圓片產品同時存在。

為實現生產出更大外徑的硅圓片，包括制造裝置的廠家在內，對于制造廠家（生產硅圓片）和使用廠家（生產半導體IC）雙方，都存在諸多問題和課題（圖2）。

而且，在新一代大外徑硅圓片上，要用最先進的技術制造更高集成度的復雜IC。因此，對硅圓片所要求的各種各樣的尺寸、性能指標，比前一代更高、更復雜，會進一步增加難度。

盡管如此，與半導體相關的生產廠家對上述問題經過諸多因素的比較，對于硅圓片是否更新換代，總能適時地作出選擇。其結果，過去硅圓片基本上按“每3.5年增加1英寸”的速度發展（圖3）。

實際上，截至2009年，全世界可供應商用12英寸（φ300mm）晶圓的工廠已有上百家，且都為該領域的領頭企業。但對于半導體IC廠家來說，硅圓片更新換代的負擔很重，加之產品良率方面的考慮，目前對18英寸（φ450mm）硅圓片的大規模投產時間還不好預期。

2.4.2 先要進行取向標志的加工

目前由直拉法制取的單晶硅棒，一般長度為2m，直徑為8英寸（先進的為12英寸），質量為150kg。從硅棒中要切除不需要的部分，如剝皮和切除上、下兩端頭，并將其切分成若干個硅坯（圖1）。

而后，按所要求的硅圓片直徑，用磨削刀具研削硅坯外圓（圖2）。當然，在拉制單晶時，應按硅圓片尺寸要求，保證硅棒外徑足夠大，并留有研磨外圓的尺寸裕度。

為了定出硅圓片面內的晶體學取向，并適應IC制造工程中在裝置內裝卸的需要，要在硅坯周邊切出稱為“取向平面(OF：Orientation Plat)”或“缺口(notch)”的標志（圖3）。

取向標志的作用是,當硅圓片在裝置內處理時,根據取向標志排列,可保證不同硅圓片間處理的均勻性,并且適應IC制造工程中硅圓片在裝置內裝卸的需求。過去，日本采用OF方式，美國采用V字形缺口方式，目前缺口方式有向統一方向發展的趨勢。

2.4.3 將硅坯切割成一片一片的硅圓片

接著，用黏合劑把硅坯固定在支持架上，將其切割成一片一片的硅圓片(切片)，如圖所示。在切片作業中，多采用貼附有金剛石顆粒的內圓刃切刀。但近年來，隨著硅坯外徑的變大，被稱為“線刀(wire-saw)”的由鋼琴絲與切削研磨液相組合的新的切片法也正在逐漸普及。

采用內圓刃刀片切片的特點是：①內圓刃刀片由高硬度不銹鋼制作，張于環形刀架內側，加一定張力固定；②適用8英寸以下的硅圓片的切片；③切片表面的平坦度良好；④切縫大約為0.6mm（刀片厚0.4mm,金剛石磨粒直徑約0.1mm+a）；⑤切片速度：8英寸硅圓片每片需6min,切割300片大約用30h；⑥對于大口徑（300mm以上）硅坯，內圓刃刀片材料及制作都比較困難；⑦內圓刃刀片張力的均勻化等不好解決。

采用線刀切片的特點是：①將多根鋼琴絲按一定間距平行固緊，沿鋼琴絲滴下漿料（液）狀金剛石顆粒研磨液；②可適用大口徑（300mm以上）硅坯，8英寸硅圓片已有成熟的切片經驗；③切片表面的平坦度比采用內圓刃刀片的情況略差；④切縫大約為0.3mm（鋼琴絲直徑0.2mm,金剛石顆粒直徑+a大約0.1mm）；⑤切片速度：8英寸硅圓片的標準時間為6h，可批量式切片；⑥鋼琴絲及研磨液的運行費用相對于圓刃刀片法要高些。

根據以上對比可以看出，線刀切片的切縫小、可以多片同時切成，切片速度快，再加上切割大口徑硅片的平面刃刀具的材料不易解決，因此，對于外徑大于300mm的硅圓片，用線刀切割目前已成為標準切割方法。

切斷后，用化學溶液溶解黏合劑，使硅圓片從支撐架上剝離，成為一片一片的硅圓片。

下一步是倒角(beveling)工序，要把硅圓片的側面研磨成拋物線形狀。這樣做的目的，是為了在IC制造過程中裝卸及加工硅圓片時，避免側面棱角處破損(并產生后續制程中令人討厭的顆粒污染)，還可防止在熱處理等制程中，由側面部分導入晶體缺陷。

2.4.4 硅圓片有各種不同的類型

切好的硅圓片經倒角后，使用含有微細顆粒研磨劑的研磨液，進行機械研磨（lapping）。在對側面磨削之后，將硅圓片置于轉盤之上，對表面進行機械的、化學的研磨，使其變為閃閃發光的鏡面狀態。對于部分硅圓片來說，在經研磨、洗凈后，還要放入擴散爐中，在氮氣和氫氣氣氛中進行熱處理。這樣可以確保硅片表面附近成為無缺陷（DZ：Defect Zero）層。研磨好的硅圓片，經過各種嚴格檢查，做最后洗凈之后，裝入特制的盒子出廠銷售。

為了制作硅圓片基板，外延硅圓片也是典型方法之一。這種方法是在研磨完成之后或形成埋置擴散層后的硅圓片上，用氣相沉積法形成硅單晶膜。這種氣相生長稱為“外延生長（epitaxial growth）”，是在反應容器（chamber）內通入硅烷（SiH₄）及氫氣（H₂），一般將硅圓片加熱到大約1500℃的高溫，通過流動狀態的SiH₄與H₂的氣相反應，在硅基板表面按其晶體學方向連續地生長。