TA的首页单晶硅棒、单晶硅片加工工艺
单质硅有无定形及晶体两种。无定形硅为灰黑色或栗色粉末，更常见的是无定形块状，它们是热和电的不良导体、质硬，主要用于冶金工业（例如铁合金及铝合金的生产）及制造硅化物。晶体硅是银灰色，有金属光泽的晶体，能导电（但导电率不及金属）故又称为金属硅。高纯度的金属硅（≥99．99％）是生产半导体的材料，也是电子工业的基础材料。掺杂有微量硼、磷等元素的单晶硅可用于制造二极管、晶体管及其他半导体器件。
由于半导体技术不断向高集成度，高性能，低成本和系统化方向发展，半导体在国民经济各领域中的应用更加广泛。单晶硅片按使用性质可分为两大类：生产用硅片；测试用硅片。
半导体元件所使用的单晶硅片系采用多晶硅原料再经由单晶生长技术所生产出来的。多晶硅所使用的原材料来自硅砂（二氧化硅）。目前商业化的多晶硅依外观可分为块状多晶与粒状多晶。
多晶硅的品质规格：
多晶硅按外形可分为块状多晶硅和棒状多晶硅；等级分为一、二、三级免洗料。
多晶硅的检测：
主要检测参数为电阻率、碳浓度、N型少数载流子寿命；外形主要是块状的大小程度；结构方面要求无氧化夹层；表面需要经过酸腐蚀，结构需致密、平整，多晶硅的外观应无色斑、变色，无可见的污染物。对于特殊要求的，还需要进行体内金属杂质含量的检测。
单晶硅棒品质规格：
单晶硅棒的主要技术参数
型号
P型或A型
晶向
<111><100>
电阻率
0.0001ohm.cm-100ohm.cm
电阻率均匀性
<25%
位错密度
无位错
OISF密度
<500cm２
氧含量
根据客户要求
碳含量
<1ppma
主要考面取向密度
根据客户要求
其中电阻率、OISF密度、以及碳含量是衡量单晶硅棒等级的关键参数。这些参数在单晶成型后即定型，无法在此后的加工中进行改变。
测试方法：
电阻率：用四探针法。
OISF密度：利用氧化诱生法在高温、高洁净的炉管中氧化，再经过腐蚀后观察其密度进行报数。
碳含量：利用红外分光光度计进行检测。
单晶硅抛光片品质规格：
单晶硅抛光片的物理性能参数同硅单晶技术参数
厚度（T）
200-1200um
总厚度变化（TTV）
＜10um
弯曲度（BOW）
＜35um
翘曲度（WARP）
＜35um
单晶硅抛光片的表面质量：正面要求无划道、无蚀坑、无雾、无区域沾污、无崩边、无裂缝、无凹坑、无沟、无小丘、无刀痕等。背面要求无区域沾污、无崩边、无裂缝、无刀痕。
（2）加工工艺知识
多晶硅加工成单晶硅棒：
多晶硅长晶法即长成单晶硅棒法有二种：
CZ（Czochralski）法
FZ（Float-Zone Technique）法
目前超过98％的电子元件材料全部使用单晶硅。其中用CZ法占了约85％，其他部份则是由浮融法FZ生长法。CZ法生长出的单晶硅，用在生产低功率的集成电路元件。而FZ法生长出的单晶硅则主要用在高功率的电子元件。CZ法所以比FZ法更普遍被半导体工业采用，主要在于它的高氧含量提供了晶片强化的优点。另外一个原因是CZ法比FZ法更容易生产出大尺寸的单晶硅棒。
目前国内主要采用CZ法
CZ法主要设备：CZ生长炉
CZ法生长炉的组成元件可分成四部分
（1）炉体：包括石英坩埚，石墨坩埚，加热及绝热元件，炉壁
（2）晶棒及坩埚拉升旋转机构：包括籽晶夹头，吊线及拉升旋转元件
（3）气氛压力控制：包括气体流量控制，真空系统及压力控制阀
（4）控制系统：包括侦测感应器及电脑控制系统
加工工艺：
加料→熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长
（1）加料：将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的N或P型而定。杂质种类有硼，磷，锑，砷。
（2）熔化：加完多晶硅原料于石英埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度（1420℃）以上，将多晶硅原料熔化。
（3）缩颈生长：当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中。由于籽晶与硅熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用缩劲生长使之消失掉。缩颈生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（4-6mm）由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出晶体表面，产生零位错的晶体。
（4）放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。
（5）等径生长：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2mm之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶硅片取自于等径部分。
（6）尾部生长：在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么效应力将使得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为尾部生长。长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。
单晶硅棒加工成单晶硅抛光硅片
加工流程：
单晶生长→切断→外径滚磨→平边或V型槽处理→切片
倒角→研磨 腐蚀--抛光→清洗→包装
切断：目的是切除单晶硅棒的头部、尾部及超出客户规格的部分，将单晶硅棒分段成切片设备可以处理的长度，切取试片测量单晶硅棒的电阻率含氧量。
切断的设备：内园切割机或外园切割机
切断用主要进口材料：刀片
外径磨削：由于单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也比最终抛光晶片所规定的直径规格大，通过外径滚磨可以获得较为精确的直径。
外径滚磨的设备：磨床
平边或V型槽处理：指方位及指定加工，用以单晶硅捧上的特定结晶方向平边或V型。
处理的设备：磨床及X－RAY绕射仪。
切片：指将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄晶片。
切片的设备：内园切割机或线切割机
倒角：指将切割成的晶片税利边修整成圆弧形，防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加磊晶层及光阻层的平坦度。
倒角的主要设备：倒角机
研磨：指通过研磨能除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程可以处理的规格。
研磨的设备：研磨机（双面研磨）
主要原料：研磨浆料（主要成份为氧化铝，铬砂，水），滑浮液。
腐蚀：指经切片及研磨等机械加工后，晶片表面受加工应力而形成的损伤层，通常采用化学腐蚀去除。
腐蚀的方式：（A）酸性腐蚀，是最普遍被采用的。酸性腐蚀液由硝酸（HNO3），氢氟酸（HF），及一些缓冲酸（CH3COCH，H3PO4）组成。
（B）碱性腐蚀，碱性腐蚀液由KOH或NaOH加纯水组成。
抛光：指单晶硅片表面需要改善微缺陷，从而获得高平坦度晶片的抛光。
抛光的设备：多片式抛光机，单片式抛光机。
抛光的方式：粗抛：主要作用去除损伤层，一般去除量约在10－20um；
精抛：主要作用改善晶片表面的微粗糙程度，一般去除量1um以下
主要原料：抛光液由具有SiO2的微细悬硅酸胶及NaOH（或KOH或NH4OH）组成，分为粗抛浆和精抛浆。
清洗：在单晶硅片加工过程中很多步骤需要用到清洗，这里的清洗主要是抛光后的最终清洗。清洗的目的在于清除晶片表面所有的污染源。
清洗的方式：主要是传统的RCA湿式化学洗净技术。
主要原料：H2SO4，H2O2，HF，NH4HOH，HCL
（3）损耗产生的原因
A.多晶硅--单晶硅棒
多晶硅加工成单晶硅棒过程中：如产生损耗是重掺埚底料、头尾料则无法再利用，只能当成冶金行业如炼铁、炼铝等用作添加剂；如产生损耗是非重掺埚底料、头尾料可利用制成低档次的硅产品，此部分应按边角料征税。
重掺料是指将多晶硅原料及接近饱和量的杂质（种类有硼，磷，锑，砷。杂质的种类依电阻的N或P型）放入石英坩埚内溶化而成的料。
重掺料主要用于生产低电阻率（电阻率＜0.011欧姆／厘米）的硅片。
损耗：单晶拉制完毕后的埚底料约15％。
单晶硅棒整形过程中的头尾料约20％。
单晶整形过程中（外径磨削工序）由于单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也比最终抛光晶片所规定的直径规格大，通过外径磨削可以获得较为精确的直径。损耗约10％-13％。
例：
4英寸
5英寸
标称直径
100mm
125mm
拉晶直径
106mm
131mm
磨削损耗
12.36%
9.83%
拉制参考损耗
0.7%
0.8%
合计损耗
13.06%
10.63%
此外，由于单晶硅的电阻率范围、电阻率均匀性、杂质种类、缺陷状态等参数在不同客户的要求下，都会对成品的实收率有影响，即使是同一规格的产品，不同厂家生产该产品的合格率也会不同。一般来讲，由于晶体质量原因造成的损耗率为7．5％。
从多晶硅--单晶硅棒总损耗率：4英寸约为45．3％
5英寸约为43．8％
B、单晶硅棒--单晶硅抛光片
单晶硅棒加工成单晶硅抛光片过程中损耗主要在切片工序，如采用内园切割机在切割过程中由于刀片的研磨及切片过程中刀片的摆动造成。此间的损耗约34％-35％。如采用线切割机则损耗较小。
例：
4英寸
5英寸
切片刀厚
310+25
380+25
硅片厚度
650
750
损耗率
34%
35%
其他工序的净损耗从切片到最终抛光，此间损耗约16.67%-19.23%。
例：
4英寸
5英寸
切片厚度
650
750
抛光厚度
525
625
损耗率
19.23%
16.67%
从单晶硅棒到抛光片的损耗还包括切片过程中的崩边、裂缝，磨片过程中的碎片和缺口，碱腐蚀过程中的沾污、花斑，抛光等过程中的碎片划伤造成的损耗，具体如下：切片5％、倒角1％、磨片5％、腐蚀2％、退火2％、抛光5％、清洗2％，此间损耗率约20％
从单晶硅棒--单晶硅抛光片的总损耗率：4英寸约为57．4％
5英寸约为56.7％
由于半导体技术不断向高集成度，高性能，低成本和系统化方向发展，半导体在国民经济各领域中的应用更加广泛。单晶硅片按使用性质可分为两大类：生产用硅片；测试用硅片。
半导体元件所使用的单晶硅片系采用多晶硅原料再经由单晶生长技术所生产出来的。多晶硅所使用的原材料来自硅砂（二氧化硅）。目前商业化的多晶硅依外观可分为块状多晶与粒状多晶。
多晶硅的品质规格：
多晶硅按外形可分为块状多晶硅和棒状多晶硅；等级分为一、二、三级免洗料。
多晶硅的检测：
主要检测参数为电阻率、碳浓度、N型少数载流子寿命；外形主要是块状的大小程度；结构方面要求无氧化夹层；表面需要经过酸腐蚀，结构需致密、平整，多晶硅的外观应无色斑、变色，无可见的污染物。对于特殊要求的，还需要进行体内金属杂质含量的检测。
单晶硅棒品质规格：
单晶硅棒的主要技术参数
型号
P型或A型
晶向
<111><100>
电阻率
0.0001ohm.cm-100ohm.cm
电阻率均匀性
<25%
位错密度
无位错
OISF密度
<500cm２
氧含量
根据客户要求
碳含量
<1ppma
主要考面取向密度
根据客户要求
其中电阻率、OISF密度、以及碳含量是衡量单晶硅棒等级的关键参数。这些参数在单晶成型后即定型，无法在此后的加工中进行改变。
测试方法：
电阻率：用四探针法。
OISF密度：利用氧化诱生法在高温、高洁净的炉管中氧化，再经过腐蚀后观察其密度进行报数。
碳含量：利用红外分光光度计进行检测。
单晶硅抛光片品质规格：
单晶硅抛光片的物理性能参数同硅单晶技术参数
厚度（T）
200-1200um
总厚度变化（TTV）
＜10um
弯曲度（BOW）
＜35um
翘曲度（WARP）
＜35um
单晶硅抛光片的表面质量：正面要求无划道、无蚀坑、无雾、无区域沾污、无崩边、无裂缝、无凹坑、无沟、无小丘、无刀痕等。背面要求无区域沾污、无崩边、无裂缝、无刀痕。
（2）加工工艺知识
多晶硅加工成单晶硅棒：
多晶硅长晶法即长成单晶硅棒法有二种：
CZ（Czochralski）法
FZ（Float-Zone Technique）法
目前超过98％的电子元件材料全部使用单晶硅。其中用CZ法占了约85％，其他部份则是由浮融法FZ生长法。CZ法生长出的单晶硅，用在生产低功率的集成电路元件。而FZ法生长出的单晶硅则主要用在高功率的电子元件。CZ法所以比FZ法更普遍被半导体工业采用，主要在于它的高氧含量提供了晶片强化的优点。另外一个原因是CZ法比FZ法更容易生产出大尺寸的单晶硅棒。
目前国内主要采用CZ法
CZ法主要设备：CZ生长炉
CZ法生长炉的组成元件可分成四部分
（1）炉体：包括石英坩埚，石墨坩埚，加热及绝热元件，炉壁
（2）晶棒及坩埚拉升旋转机构：包括籽晶夹头，吊线及拉升旋转元件
（3）气氛压力控制：包括气体流量控制，真空系统及压力控制阀
（4）控制系统：包括侦测感应器及电脑控制系统
加工工艺：
加料→熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长
（1）加料：将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的N或P型而定。杂质种类有硼，磷，锑，砷。
（2）熔化：加完多晶硅原料于石英埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度（1420℃）以上，将多晶硅原料熔化。
（3）缩颈生长：当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中。由于籽晶与硅熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用缩劲生长使之消失掉。缩颈生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（4-6mm）由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出晶体表面，产生零位错的晶体。
（4）放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。
（5）等径生长：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2mm之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶硅片取自于等径部分。
（6）尾部生长：在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么效应力将使得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为尾部生长。长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。
单晶硅棒加工成单晶硅抛光硅片
加工流程：
单晶生长→切断→外径滚磨→平边或V型槽处理→切片
倒角→研磨 腐蚀--抛光→清洗→包装
切断：目的是切除单晶硅棒的头部、尾部及超出客户规格的部分，将单晶硅棒分段成切片设备可以处理的长度，切取试片测量单晶硅棒的电阻率含氧量。
切断的设备：内园切割机或外园切割机
切断用主要进口材料：刀片
外径磨削：由于单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也比最终抛光晶片所规定的直径规格大，通过外径滚磨可以获得较为精确的直径。
外径滚磨的设备：磨床
平边或V型槽处理：指方位及指定加工，用以单晶硅捧上的特定结晶方向平边或V型。
处理的设备：磨床及X－RAY绕射仪。
切片：指将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄晶片。
切片的设备：内园切割机或线切割机
倒角：指将切割成的晶片税利边修整成圆弧形，防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加磊晶层及光阻层的平坦度。
倒角的主要设备：倒角机
研磨：指通过研磨能除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程可以处理的规格。
研磨的设备：研磨机（双面研磨）
主要原料：研磨浆料（主要成份为氧化铝，铬砂，水），滑浮液。
腐蚀：指经切片及研磨等机械加工后，晶片表面受加工应力而形成的损伤层，通常采用化学腐蚀去除。
腐蚀的方式：（A）酸性腐蚀，是最普遍被采用的。酸性腐蚀液由硝酸（HNO3），氢氟酸（HF），及一些缓冲酸（CH3COCH，H3PO4）组成。
（B）碱性腐蚀，碱性腐蚀液由KOH或NaOH加纯水组成。
抛光：指单晶硅片表面需要改善微缺陷，从而获得高平坦度晶片的抛光。
抛光的设备：多片式抛光机，单片式抛光机。
抛光的方式：粗抛：主要作用去除损伤层，一般去除量约在10－20um；
精抛：主要作用改善晶片表面的微粗糙程度，一般去除量1um以下
主要原料：抛光液由具有SiO2的微细悬硅酸胶及NaOH（或KOH或NH4OH）组成，分为粗抛浆和精抛浆。
清洗：在单晶硅片加工过程中很多步骤需要用到清洗，这里的清洗主要是抛光后的最终清洗。清洗的目的在于清除晶片表面所有的污染源。
清洗的方式：主要是传统的RCA湿式化学洗净技术。
主要原料：H2SO4，H2O2，HF，NH4HOH，HCL
（3）损耗产生的原因
A.多晶硅--单晶硅棒
多晶硅加工成单晶硅棒过程中：如产生损耗是重掺埚底料、头尾料则无法再利用，只能当成冶金行业如炼铁、炼铝等用作添加剂；如产生损耗是非重掺埚底料、头尾料可利用制成低档次的硅产品，此部分应按边角料征税。
重掺料是指将多晶硅原料及接近饱和量的杂质（种类有硼，磷，锑，砷。杂质的种类依电阻的N或P型）放入石英坩埚内溶化而成的料。
重掺料主要用于生产低电阻率（电阻率＜0.011欧姆／厘米）的硅片。
损耗：单晶拉制完毕后的埚底料约15％。
单晶硅棒整形过程中的头尾料约20％。
单晶整形过程中（外径磨削工序）由于单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也比最终抛光晶片所规定的直径规格大，通过外径磨削可以获得较为精确的直径。损耗约10％-13％。
例：
4英寸
5英寸
标称直径
100mm
125mm
拉晶直径
106mm
131mm
磨削损耗
12.36%
9.83%
拉制参考损耗
0.7%
0.8%
合计损耗
13.06%
10.63%
此外，由于单晶硅的电阻率范围、电阻率均匀性、杂质种类、缺陷状态等参数在不同客户的要求下，都会对成品的实收率有影响，即使是同一规格的产品，不同厂家生产该产品的合格率也会不同。一般来讲，由于晶体质量原因造成的损耗率为7．5％。
从多晶硅--单晶硅棒总损耗率：4英寸约为45．3％
5英寸约为43．8％
B、单晶硅棒--单晶硅抛光片
单晶硅棒加工成单晶硅抛光片过程中损耗主要在切片工序，如采用内园切割机在切割过程中由于刀片的研磨及切片过程中刀片的摆动造成。此间的损耗约34％-35％。如采用线切割机则损耗较小。
例：
4英寸
5英寸
切片刀厚
310+25
380+25
硅片厚度
650
750
损耗率
34%
35%
其他工序的净损耗从切片到最终抛光，此间损耗约16.67%-19.23%。
例：
4英寸
5英寸
切片厚度
650
750
抛光厚度
525
625
损耗率
19.23%
16.67%
从单晶硅棒到抛光片的损耗还包括切片过程中的崩边、裂缝，磨片过程中的碎片和缺口，碱腐蚀过程中的沾污、花斑，抛光等过程中的碎片划伤造成的损耗，具体如下：切片5％、倒角1％、磨片5％、腐蚀2％、退火2％、抛光5％、清洗2％，此间损耗率约20％
从单晶硅棒--单晶硅抛光片的总损耗率：4英寸约为57．4％
5英寸约为56.7％
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