2.4 从单晶硅到晶圆

2.4.1 晶圆尺寸不断扩大

图1所示为由CZ法生长的φ300mm（12英寸）单晶硅棒，其质量可达350kg。

“硅圆片的大小为12英寸”，是指“其外径为12英寸”。通常，以英寸或毫米为单位的外径尺寸称呼硅圆片的大小。

硅圆片上制作IC时的有效部分为其表面积。因此，若外径尺寸变为1.2倍、1.3倍、……，相应制作芯片的有效面积则变为1.44倍、1.69倍、……，即按“外径平方成比例增加”。

伴随着IC的进步，硅圆片外径也连续不断地增加。但应指出的是，在集成电路制造中，随着硅圆片外径的变化，与其相关的所有设备也必须更新换代。

首先，制造硅圆片本身的生产设备需要更新。然后，为采用这种硅圆片来制造IC，其制造装置及工艺自不待言，生产线等也必须设立新的标准，进行改建更新，为此要耗费大量的人力和经费。

因此，今后相当一段时间内，仍然会是不同硅圆片产品同时存在。

为实现生产出更大外径的硅圆片，包括制造装置的厂家在内，对于制造厂家（生产硅圆片）和使用厂家（生产半导体IC）双方，都存在诸多问题和课题（图2）。

而且，在新一代大外径硅圆片上，要用最先进的技术制造更高集成度的复杂IC。因此，对硅圆片所要求的各种各样的尺寸、性能指标，比前一代更高、更复杂，会进一步增加难度。

尽管如此，与半导体相关的生产厂家对上述问题经过诸多因素的比较，对于硅圆片是否更新换代，总能适时地作出选择。其结果，过去硅圆片基本上按“每3.5年增加1英寸”的速度发展（图3）。

实际上，截至2009年，全世界可供应商用12英寸（φ300mm）晶圆的工厂已有上百家，且都为该领域的领头企业。但对于半导体IC厂家来说，硅圆片更新换代的负担很重，加之产品良率方面的考虑，目前对18英寸（φ450mm）硅圆片的大规模投产时间还不好预期。

2.4.2 先要进行取向标志的加工

目前由直拉法制取的单晶硅棒，一般长度为2m，直径为8英寸（先进的为12英寸），质量为150kg。从硅棒中要切除不需要的部分，如剥皮和切除上、下两端头，并将其切分成若干个硅坯（图1）。

而后，按所要求的硅圆片直径，用磨削刀具研削硅坯外圆（图2）。当然，在拉制单晶时，应按硅圆片尺寸要求，保证硅棒外径足够大，并留有研磨外圆的尺寸裕度。

为了定出硅圆片面内的晶体学取向，并适应IC制造工程中在装置内装卸的需要，要在硅坯周边切出称为“取向平面(OF：Orientation Plat)”或“缺口(notch)”的标志（图3）。

取向标志的作用是,当硅圆片在装置内处理时,根据取向标志排列,可保证不同硅圆片间处理的均匀性,并且适应IC制造工程中硅圆片在装置内装卸的需求。过去，日本采用OF方式，美国采用V字形缺口方式，目前缺口方式有向统一方向发展的趋势。

2.4.3 将硅坯切割成一片一片的硅圆片

接着，用黏合剂把硅坯固定在支持架上，将其切割成一片一片的硅圆片(切片)，如图所示。在切片作业中，多采用贴附有金刚石颗粒的内圆刃切刀。但近年来，随着硅坯外径的变大，被称为“线刀(wire-saw)”的由钢琴丝与切削研磨液相组合的新的切片法也正在逐渐普及。

采用内圆刃刀片切片的特点是：①内圆刃刀片由高硬度不锈钢制作，张于环形刀架内侧，加一定张力固定；②适用8英寸以下的硅圆片的切片；③切片表面的平坦度良好；④切缝大约为0.6mm（刀片厚0.4mm,金刚石磨粒直径约0.1mm+a）；⑤切片速度：8英寸硅圆片每片需6min,切割300片大约用30h；⑥对于大口径（300mm以上）硅坯，内圆刃刀片材料及制作都比较困难；⑦内圆刃刀片张力的均匀化等不好解决。

采用线刀切片的特点是：①将多根钢琴丝按一定间距平行固紧，沿钢琴丝滴下浆料（液）状金刚石颗粒研磨液；②可适用大口径（300mm以上）硅坯，8英寸硅圆片已有成熟的切片经验；③切片表面的平坦度比采用内圆刃刀片的情况略差；④切缝大约为0.3mm（钢琴丝直径0.2mm,金刚石颗粒直径+a大约0.1mm）；⑤切片速度：8英寸硅圆片的标准时间为6h，可批量式切片；⑥钢琴丝及研磨液的运行费用相对于圆刃刀片法要高些。

根据以上对比可以看出，线刀切片的切缝小、可以多片同时切成，切片速度快，再加上切割大口径硅片的平面刃刀具的材料不易解决，因此，对于外径大于300mm的硅圆片，用线刀切割目前已成为标准切割方法。

切断后，用化学溶液溶解黏合剂，使硅圆片从支撑架上剥离，成为一片一片的硅圆片。

下一步是倒角(beveling)工序，要把硅圆片的侧面研磨成抛物线形状。这样做的目的，是为了在IC制造过程中装卸及加工硅圆片时，避免侧面棱角处破损(并产生后续制程中令人讨厌的颗粒污染)，还可防止在热处理等制程中，由侧面部分导入晶体缺陷。

2.4.4 硅圆片有各种不同的类型

切好的硅圆片经倒角后，使用含有微细颗粒研磨剂的研磨液，进行机械研磨（lapping）。在对侧面磨削之后，将硅圆片置于转盘之上，对表面进行机械的、化学的研磨，使其变为闪闪发光的镜面状态。对于部分硅圆片来说，在经研磨、洗净后，还要放入扩散炉中，在氮气和氢气气氛中进行热处理。这样可以确保硅片表面附近成为无缺陷（DZ：Defect Zero）层。研磨好的硅圆片，经过各种严格检查，做最后洗净之后，装入特制的盒子出厂销售。

为了制作硅圆片基板，外延硅圆片也是典型方法之一。这种方法是在研磨完成之后或形成埋置扩散层后的硅圆片上，用气相沉积法形成硅单晶膜。这种气相生长称为“外延生长（epitaxial growth）”，是在反应容器（chamber）内通入硅烷（SiH₄）及氢气（H₂），一般将硅圆片加热到大约1500℃的高温，通过流动状态的SiH₄与H₂的气相反应，在硅基板表面按其晶体学方向连续地生长。