硅片的制造工艺分享

硅（Si）是熔点高、硬而脆、具有银白色金属光泽的固体，是地球上储量第二丰富的元素，硅构成地壳总质量的26.4%。硅元素位于元素周期表Ⅳ主族，原子序数为14，相对分子质量为28.09，密度为2.33 g/cm³，熔点为1420℃，沸点为2355℃。

硅在自然界中主要以二氧化硅和硅酸盐等形式存在，需要经过较为复杂的冶炼过程和超高的提纯加工工艺才能达到和满足半导体产业生产制造的要求，用于半导体的单晶硅纯度要求为99.9999%，甚至达到99.9999999%以上。

单晶硅生长方法按照晶体的生长方式不同，可分为直拉法、区熔法和外延法等，其中，直拉法是现在比较主流的单晶硅生长方法。单晶硅通过切片、圆边、研磨等工序后得到硅片。以下是具体流程介绍：

（1）熔化

将符合高纯度要求的块状多晶硅放入单晶炉的坩埚中，依据产品需求的电性特质指标要求加入特定剂量的金属物质或其他杂质，加热至1420℃以上的熔化温度来熔化多晶硅。

（2）长晶

当硅熔浆的温度稳定后，将晶种慢慢下降进入硅熔融体中（晶种在硅熔融体内也会被熔化），随后将具有一定转速的晶种按照一定的速度向上提升，最后生产出合格的硅晶柱。

硅晶柱质量的关键在于硅的纯度和硅的单晶性。硅晶柱直径越大，则硅的单晶性越难掌控，质量也越难保证，因此直径越大的硅晶柱制程的技术门槛也越高。

长晶生成硅晶柱的制造过程主要包括润晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾等复杂的工艺流程。

图1：硅晶柱制造工序流程示意图

图2：硅晶柱制造过程展示图

（3）切片

硅晶柱完成后需再进行裁切与检测。对硅晶柱切取试样，以检测其电阻率、氧/碳含量和晶体缺陷等技术参数。切片首先使用工业级钻石模具进行加工，将晶柱磨成平滑圆柱体，并切除头尾两端锥状晶锭的头和尾，形成标准圆柱，再以内径锯片进行切片加工。切片后的硅片厚度、弓形度及挠曲度等特性指标是切片制程质量管控的关键。

（4）圆边

刚切好的硅片其边缘皆为锐利的直角，由于其硬而脆的材料特性，直角容易碎裂，且在后续制程中易产生热应力、破裂、崩边等其他质量缺陷，除了影响硅片强度，也会成为整个制程中污染微粒的来源。圆边就是对硅片边缘进行倒角加工的过程，也称倒角。圆边后的硅片具有光滑的边缘和较低的中心应力，可以有效地改善和提高硅片整体的机械强度和可加工性。

（5）研磨、蚀刻、去疵、抛光

.研磨是为了去除切割和轮磨后所造成的锯痕、黏附的碎屑和污渍等，使硅片表面达到可进行进一步抛光处理的平整度。经前述加工制程后，硅片表面因加工而形成一层损伤层（Damaged Layer），在抛光之前用化学溶液蚀刻予以去除，再以纯水冲洗吹干，利用喷砂法等工艺将硅片上的缺陷处理完善，从而制造出完整而无缺陷的晶圆片材料。

图3：硅片制造工序流程示意图

参考资料：《芯片先进封装制造》姚玉，周文成