硅片生产过程详解

Page 1 of 36 培训目的1、 确定硅片生产过程整个目标；2、 为工艺过程确定一典型流程；3、 描述每个工艺步骤的目的；4、 在硅片生产过程中，硅片性能的三个主要关系的确定。简介硅片的准备过程从硅单晶棒开始，到清洁的抛光片结束，以能够在绝好的环境中使用。期间，从一单晶硅棒到加工成数片能满足特殊要求的硅片要经过很多流程和清洗步骤。除了有许多工艺步骤之外，整个过程几乎都要在无尘的环境中进行。硅片的加工从一相对较脏的环境开始，最终在 10 级净空房内完成。工艺过程综述硅片加工过程包括许多步骤。所有的步骤概括为三个主要种类能修正物理性能如尺寸、形状、平整度、或一些体材料的性能；能减少不期望的表面损伤的数量；或能消除表面沾污和颗粒。 硅片加工的主要的步骤如表 1.1 的典型流程所示。 工艺步骤的顺序是很重要的， 因为这些步骤的决定能使硅片受到尽可能少的损伤并且可以减少硅片的沾污。在以下的章节中，每一步骤都会得到详细介绍。表 1.1 硅片加工过程步骤1. 切片2. 激光标识3. 倒角4. 磨片5. 腐蚀6. 背损伤7. 边缘镜面抛光8. 预热清洗9. 抵抗稳定退火10. 背封11. 粘片12. 抛光13. 检查前清洗14. 外观检查15. 金属清洗16. 擦片17. 激光检查18. 包装 /货运Page 2 of 36 切片（ class 500k）硅片加工的介绍中，从单晶硅棒开始的第一个步骤就是切片。这一步骤的关键是如何在将单晶硅棒加工成硅片时尽可能地降低损耗，也就是要求将单晶棒尽可能多地加工成有用的硅片。为了尽量得到最好的硅片，硅片要求有最小量的翘曲和最少量的刀缝损耗。切片过程定义了平整度可以基本上适合器件的制备。切片过程中有两种主要方式内圆切割和线切割。这两种形式的切割方式被应用的原因是它们能将材料损失减少到最小，对硅片的损伤也最小，并且允许硅片的翘曲也是最小。切片是一个相对较脏的过程，可以描述为一个研磨的过程，这一过程会产生大量的颗粒和大量的很浅表面损伤。硅片切割完成后，所粘的碳板和用来粘碳板的粘结剂必须从硅片上清除。在这清除和清洗过程中，很重要的一点就是保持硅片的顺序，因为这时它们还没有被标识区分。激光标识 Class 500k 在晶棒被切割成一片片硅片之后，硅片会被用激光刻上标识。一台高功率的激光打印机用来在硅片表面刻上标识。硅片按从晶棒切割下的相同顺序进行编码，因而能知道硅片的正确位置。这一编码应是统一的，用来识别硅片并知道它的来源。编码能表明该硅片从哪一单晶棒的什么位置切割下来的。保持这样的追溯是很重要的，因为单晶的整体特性会随着晶棒的一头到另一头而变化。编号需刻的足够深，从而到最终硅片抛光完毕后仍能保持。在硅片上刻下编码后，即使硅片有遗漏，也能追溯到原来位置，而且如果趋向明了，那么就可以采取正确的措施。激光标识可以在硅片的正面也可在背面，尽管正面通常会被用到。倒角当切片完成后， 硅片有比较尖利的边缘， 就需要进行倒角从而形成子弹式的光滑的边缘。倒角后的硅片边缘有低的中心应力，因而使之更牢固。这个硅片边缘的强化，能使之在以后的硅片加工过程中，降低硅片的碎裂程度。图 1.1 举例说明了切片、激光标识和倒角的过程。图 1.1 磨片（ Class 500k）接下来的步骤是为了清除切片过程及激光标识时产生的不同损伤，这是磨片过程中要完成的。在磨片时，硅片被放置在载体上，并围绕放置在一些磨盘上。硅片的两侧都能与磨盘接触，从而使硅片的两侧能同时研磨到。磨盘是铸铁制的，边缘锯齿状。上磨盘上有一系列的洞，可让研磨砂分布在硅片上，并随磨片机运动。磨片可将切片造成的严重损伤清除，只留下一些均衡的浅显的伤痕；磨片的第二个好处是经磨片之后，硅片非常平整，因为磨盘是极其平整的。磨片过程主要是一个机械过程，磨盘压迫硅片表面的研磨砂。研磨砂是由将氧化铝溶液延缓煅烧后形成的细小颗粒组成的，它能将硅的外层研磨去。被研磨去的外层深度要比切片造成的损伤深度更深。Page 3 of 36 腐蚀（ Class 100k）磨片之后，硅片表面还有一定量的均衡损伤，要将这些损伤去除，但尽可能低的引起附加的损伤。比较有特色的就是用化学方法。有两种基本腐蚀方法碱腐蚀和酸腐蚀。两种方法都被应用于溶解硅片表面的损伤部分。背损伤（ Class 100k）在硅片的背面进行机械损伤是为了形成金属吸杂中心。 当硅片达到一定温度时 ， 如 Fe, Ni, Cr, Zn 等会降低载流子寿命的金属原子就会在硅体内运动。当这些原子在硅片背面遇到损伤点，它们就会被诱陷并本能地从内部移动到损伤点。背损伤的引入典型的是通过冲击或磨损。举例来说，冲击方法用喷砂法，磨损则用刷子在硅片表面磨擦。其他一些损伤方法还有淀积一层多晶硅和产生一化学生长层。边缘抛光硅片边缘抛光的目的是为了去除在硅片边缘残留的腐蚀坑。当硅片边缘变得光滑，硅片边缘的应力也会变得均匀。应力的均匀分布，使硅片更坚固。抛光后的边缘能将颗粒灰尘的吸附降到最低。硅片边缘的抛光方法类似于硅片表面的抛光。硅片由一真空吸头吸住，以一定角度在一旋转桶内旋转且不妨碍桶的垂直旋转。该桶有一抛光衬垫并有砂浆流过，用一化学 /机械抛光法将硅片边缘的腐蚀坑清除。另一种方法是只对硅片边缘进行酸腐蚀。图 1.2 举例说明了上述四个步骤图 1.2 预热清洗（ Class 1k）在硅片进入抵抗稳定前，需要清洁，将有机物及金属沾污清除，如果有金属残留在硅片表面，当进入抵抗稳定过程，温度升高时，会进入硅体内。这里的清洗过程是将硅片浸没在能清除有机物和氧化物的清洗液（ H 2SO4H 2O2）中，许多金属会以氧化物形式溶解入化学清洗液中；然后，用氢氟酸（ HF）将硅片表面的氧化层溶解以清除污物。抵抗稳定退火（ Class 1k）硅片在 CZ 炉内高浓度的氧氛围里生长。 因为绝大部分的氧是惰性的， 然而仍有少数的氧会形成小基团。这些基团会扮演 n-施主的角色，就会使硅片的电阻率测试不正确。要防止这一问题的发生， 硅片必须首先加热到 650℃左右。 这一高的温度会使氧形成大的基团而不会影响电阻率。然后对硅片进行急冷，以阻碍小的氧基团的形成。这一过程可以有效的消除氧作为 n-Page 4 of 36 施主的特性，并使真正的电阻率稳定下来。背封（ Class 10k）对于重掺的硅片来说，会经过一个高温阶段，在硅片背面淀积一层薄膜，能阻止掺杂剂的向外扩散。这一层就如同密封剂一样防止掺杂剂的逃逸。通常有三种薄膜被用来作为背封材料二氧化硅（ SiO2） 、氮化硅（ Si3N4） 、多晶硅。如果氧化物或氮化物用来背封，可以严格地认为是一密封剂，而如果采用多晶硅，除了主要作为密封剂外，还起到了外部吸杂作用。图 1.3 举例说明了预热清洗、抵抗稳定和背封的步骤。图 1.3 预热清洗、阻抗稳定和背封示意图粘片（ Class 10k）在硅片进入抛光之前，先要进行粘片。粘片必须保证硅片能抛光平整。有两种主要的粘片方式，即蜡粘片或模板粘片。顾名思义，蜡粘片用一固体松香蜡与硅片粘合，并提供一个极其平的参考表面 。这一表面为抛光提供了一个固体参考平面。 粘的蜡能防止当硅片在一侧面的载体下抛光时硅片的移动。蜡粘片只对单面抛光的硅片有用。另一方法就是模板粘片，有两种不同变异。一种只适用于单面抛光，用这种方法，硅片被固定在一圆的模板上，再放置在软的衬垫上。这一衬垫能提供足够的摩擦力因而在抛光时，硅片的边缘不会完全支撑到侧面载体，硅片就不是硬接触，而是“漂浮”在物体上。当正面进行抛光时，单面的粘片保护了硅片的背面。另一种方法适用于双面的抛光。用这种方法，放置硅片的模板上下两侧都是敞开的，通常两面都敞开的模板称为载体。这种方法可以允许在一台机器上进行抛光时，两面能同时进行，操作类似于磨片机。硅片的两个抛光衬垫放置在相反的方向，这样硅片被推向一个方向的顶部时和相反方向的底部，产生的应力会相互抵消。这就有利于防止硅片被推向坚硬的载体而导致硅片边缘遭到损坏。 除了许多加载在硅片边缘负荷，当硅片随载体运转时，边缘不大可能会被损坏。抛光（ Class ≤ 1k）硅片抛光的目的是得到一非常光滑、平整、无任何损伤的硅表面。抛光的过程类似于磨片的过程，只是过程的基础不同。磨片时，硅片进行的是机械的研磨；而在抛光时，是一个化学 /机械的过程。这个在操作原理上的不同是造成抛光能比磨片得到更光滑表面的原因。抛光时， 用特制的抛光衬垫和特殊的抛光砂对硅片进行化学 /机械抛光。 硅片抛光面是旋转的，在一定压力下， 并经覆盖在衬垫上的研磨砂。 抛光砂由硅胶和一特殊的高 pH 值的化学试剂组Page 5 of 36 成。 这种高 pH 的化学试剂能氧化硅片表面， 又以机械方式用含有硅胶的抛光砂将氧化层从表面磨去。硅片通常要经多步抛光。第一步是粗抛，用较硬衬垫，抛光砂更易与之反应，而且比后面的抛光中用到的砂中有更多粗糙的硅胶颗粒。第一步是为了清除腐蚀斑和一些机械损伤。在接下来的抛光中，用软衬、含较少化学试剂和细的硅胶颗粒的抛光砂。清除剩余损伤和薄雾的最终的抛光称为精抛。粘片和抛光过程如图 1.4 所示图 1.4 粘片和抛光示意图检查前清洗（ class 10）硅片抛光后，表面有大量的沾污物，绝大部分是来自于抛光过程的颗粒。抛光过程是一个化学 /机械过程， 集中了大量的颗粒。 为了能对硅片进行检查， 需进行清洗以除去大部分的颗粒。通过这次清洗，硅片的清洁度仍不能满足客户的要求，但能对其进行检查了。通常的清洗方法是在抛光后用 RCA SC-1 清洗液。有时用 SC-1 清洗时，同时还用磁超声清洗能更为有效。 另一方法是先用 H2SO4/H2O2 ， 再用 HF 清洗。 相比之下，这种方法更能有效清除金属沾污。检查经过抛光、清洗之后，就可以进行检查了。在检查过程中，电阻率、翘曲度、总厚度超差和平整度等都要测试。 所有这些测量参数都要用无接触方法测试，因而抛光面才不会受到损伤。在这点上，硅片必须最终满足客户的尺寸性能要求，否则就会被淘汰。金属物去除清洗硅片检查完后，就要进行最终的清洗以清除剩余在硅片表面的所有颗粒。主要的沾污物是检查前清洗后仍留在硅片表面的金属离子。这些金属离子来自于各不同的用到金属与硅片接触的加工过程，如切片、磨片。一些金属离子甚至来自于前面几个清洗过程中用到的化学试剂。因此，最终的清洗主要是为了清除残留在硅片表面的金属离子。这样做的原因是金属离子能导致少数载流子寿命， 从而会使器件性能降低。 SC-1 标准清洗液对清除金属离子不是很有效。因此，要用不同的清洗液，如 HCl ，必须用到。Page 6 of 36 擦片在用 HCl 清洗完硅片后， 可能还会在表面吸附一些颗粒。 一些制造商选择 PVA 制的刷子来清除这些残留颗粒。在擦洗过程中，纯水或氨水（ NH 4OH ）应流经硅片表面以带走沾附的颗粒。用 PVA 擦片是清除颗粒的有效手段。激光检查硅片的最终清洗完成后，就需要检查表面颗粒和表面缺陷。激光检查仪能探测到表面的颗粒和缺陷。因为激光是短波中高强度的波源。激光在硅片表面反射。如果表面没有任何问题，光打到硅片表面就会以相同角度反射。然而，如果光打到颗粒上或打到粗糙的平面上，光就不会以相同角度反射。反射的光会向各个方向传播并能在不同角度被探测到。包装 /货运尽管如此，可能还没有考虑的非常周到，硅片的包装是非常重要的。包装的目的是为硅片提供一个无尘的环境，并使硅片在运输时不受到任何损伤；包装还可以防止硅片受潮。如果一片好的硅片被放置在一容器内，并让它受到污染，它的污染程度会与在硅片加工过程中的任何阶段一样严重，甚至认为这是更严重的问题，因为在硅片生产过程中，随着每一步骤的完成，硅片的价值也在不断上升。理想的包装是既能提供清洁的环境，又能控制保存和运输时的小环境的整洁。典型的运输用的容器是用聚丙烯、聚乙烯或一些其他塑料材料制成。这些塑料应不会释放任何气体并且是无尘的， 如此硅片表面才不会被污染。 最后六个步骤如图 1.5所示。图 1.5 检查前清洗、外观检查、金属离子去除清洗、擦片、激光检查和包装 /货运示意图硅片制备阶段的问题在硅片的制造过程中，涉及到许多参数。而且这些参数中有许多会因最终硅片目标不同而发Page 7 of 36 生变化。对硅片来说，有一些参数始终是很重要的，如平整度、缺陷、沾污等。在下面的章节中将详细讨论。当硅片被不正确运行的刀片所切割时，就会造成弯曲的刀口。这些刀口都不会相同，这就使硅片有不同种类的平面缺陷。能以最好的方式使硅片得到平整的表面是很重要的，因此应以尽可能平的面去切割硅片。有不同的测量方法来测试硅片的平整度。一些测量方法给出了圆形的或者说是整个硅片的平整度而另一些方法只显示出局部的硅片平整度。 整个的平整度对于设计样品时是很重要的， 从另一方面说，局部的平整度对于 设计是很重要的， 一些整体平整度测试的术语是弯曲度（ bow） 、翘曲度（ warp） 、总厚度超差（ TTV ） 、总指示读数（ TIR ）和焦平面背离（ FPD） 。局部平整度测试的术语也与其一致。Bow 硅片弯曲度是测量硅片弯曲程度，它是与硅片中心从一通过靠近硅片边缘的三个基点建立的平面的背离程度。弯曲度测试是一种较老的测试手段，不经常使用。因为弯曲度测试只能测试与中心的背离，其他方法也就相应产生了。实际上，硅片的背离会发生在硅片的任一位置，而且能产生很多问题。在最近的时间里， S 型弯曲或翘曲的测试被真正采用。这种变形有比弯曲更复杂的形状。Warp 硅片形状变形的另一测试方法是翘曲度的测试。翘曲度是测量硅片确定的几个参考面的中心线位置的最高点与最低点之最大差值。硅片的翘曲度起决于使用的一对无接触扫描探针。硅片被放置在三个形成参考平面的支点上，这对探针中一支可以在硅片一侧的任意位置，而另一支则在另一侧的相应位置。探针按设定的程序，沿硅片表面移动，测量到硅片表面指定点的距离。一旦所有的距离都已测得，翘曲的程度也就知道了。测定翘曲度，第一步就是找到顶部探针与顶部硅片表面的距离 （ a） 和相应底部探针与底部硅片表面的距离 （ b） 。 换句话说，就得到了 b-a 的所有测量点。有了这些数据，将 b-a 的最大值减去 b-a 的最小值，再除以 2 就是 Warp 值（如图 1.6 所示） 。图 1.6 翘曲度（ Warp）和总厚度偏差（ TTV ）测量示意图Page 8 of 36 硅片的翘曲度与半导体制造有关，因为一片翘曲的硅片在光刻过程中可能会引起麻烦；还可能在一些加工过程中粘片时也有问题。小量的翘曲在一些加工过程中可以通过真空吸盘或夹具得到补偿。TTV 一种检测硅片厚度一致性的方法，叫总厚度超差（ TTV ） ，就是指硅片厚度的最大值与最小值之差。 测量 TTV 可在测量 Warp 时同时进行。 Warp 中类似的探针和数据处理方法可以为 TTV所采用。实际上，不同的仅仅是计算公式。在计算 TTV 时，第一步是将顶部探针与顶部硅片表面的距离（ a）和相应底部探针与底部硅片表面的距离（ b）相加，这里，我们要的是相加（ ab） ， TTV 就是将 ab 的最大值减去 ab 的最小值。TIR 总指示读数是一种只与硅片的正面有关的参数。测量方法是将与真空吸盘平行吸住的一面作为参考平面， TIR 就是正面最高处与最凹处的差值。 （见图 1.7）图 1.7 总指示读数（ TIR ）和焦平面偏离（ FPD）测量示意图FPD 焦平面偏离（ FPD）是指硅片上距焦平面最高处和最深处到焦平面的距离中远的一个。有时这个平面是参考硅片背面或是一个假想的平面。这一测量值表明了 迄今为止，所讨论的所有平整度测试方法都是指整体测试。换句话说，所有的测试方法都是体现硅片整体的表面情况。这些方法中的大部分也可以测试局部状况。差别仅在于测试时所覆盖的区域是整体还是局部。通常，区域的选择尺寸同典型的电路芯片相同。举个例子，局部测试的硅片平整度称为局部厚度超差（ LTV ） ， LTV 几乎与 TTV 相同，区别仅在于前者只对应硅片的小区域范围。污染硅片表面的污染是一个主要关注的问题。硅片生产过程从相对较脏的切片开始到最终进入一净空房结束，硅片要暴露在大量的不同化学品和溶液中，而且硅片还要被放入许多不同的机器进行机械加工，所有这些接触都会导致颗粒沾污。另两个主要的污染是金属和有机物。金Page 9 of 36 属因硅片经过许多机器加工，金属与硅片表面直接接触而被留在硅片表面；有机物则可能来自于任何物体上的油脂或油。在硅片最终被发往客户前，所有的污染都必须被清除。安全同其他制造环境一样，在设备的每一位置，都有其特殊的安全要求。在半导体制造的硅片生产阶段，许多安全问题非常类似于在一装备完好设备商店，有高速度的刀片和所有手工滚磨设备。硅片生产中的许多过程是机械导向的，因此，这些有操作危险的过程必须有一定的安全程序。除了这些显而易见的机械危险外，还有化学方面的危险。硅片的生产要用到许多危险的化学药品，如在敞开式的硅片清洗中用到的 HF 和 KOH 。这些化学品的使用象水一样频繁，而且容易被灌输一种错误的安全观念。因此，当在进行与这些化学品相关的工作时，必须确定出所有正确的安全方针。其它还有涉及到各种不同辐射的安全问题。在切片区域，有 X-ray 源；激光扫描区域，有激光的辐射可能会引起潜在的火灾，甚至使人失明。在这些区域，都应穿着适当的防护服，并应谨慎操作以防发生安全问题。术语表弯曲度（ bow）硅片弯曲度是指硅片中心与一通过靠近硅片边缘的三个基点建立的平面的背离程度。弯曲度是对整个硅片而言。10 级（ class10）通常指环境的清洁度时， 10 级是指每立方英尺空气中 0.5μ m 大小的颗粒不超过 10 个，而且更大的颗粒数更少。这是一个非常洁净的环境。硅胶硅胶是一种悬浮的硅土颗粒，细小到无法分辨出各个颗粒，也无法从悬浮液中分离出来。微切伤微切伤是由刀片的颤动而引起的，它是刀片在行进过程中细微的背离，而在硅片上沿着切口留下的细小的脊状损伤。外吸杂外吸杂是一种适用在硅片背面的吸杂方法。焦平面背离（ FPD）焦平面背离的测试能说明离硅片正面上任何点的焦平面的最远距离。 FPD 能衡量整个硅片正表面。吸杂吸杂是一种诱使金属杂质远离硅片正面的方法。通常通过在晶体结构中造成高应力区域来实现。有两种不同的吸杂方法外吸杂和内吸杂。雾化雾化是硅片出现雾气的一个条件。可能由硅片的任何的沾污或损伤而引起。Page 10 of 36 平均载流子寿命 平均载流子寿命是指在硅体内多数载流子的平均复合时间。Piranha Piranha 是一种清洗液，由硫酸（ H 2SO4）和双氧水（ H 2O2）组成。之所以起这个名字是因为当上述两种化学品混合时，溶液温度会达到 120℃左右并剧烈沸腾。总指示读数（ TIR ）总指示读数是硅片的正面上距设定参考面最高处与最凹处的距离。 TIR 能表明整个硅片正面的情况。总厚度超差（ TTV ）总厚度超差（ TTV ）是指硅片最厚处与最薄处的差值。 TTV 也是对整个硅片的测试。翘曲度（ warp）翘曲度（ warp）是指离硅片中心线最高和最低的差值，是整个硅片的测试。Page 11 of 36 习题1、 硅片生产的主要目的是为了生产 ---（ ）a. 无损伤硅片b. 清洁、平整、无损伤的硅片c. d. 有粗糙纹理的硅片2、 一个典型的工艺流程是 ---（ ）a. 切片、磨片、抛光、检查b. 切片、抛光、磨片、检查c. 磨片、切片、抛光、检查d. 抛光、切片、磨片、检查3、 磨片的目的是 ---（ ）a. 提供一个高度抛光表面b. 探测硅片表面的缺陷或沾污c. 硅片抵抗的稳定d. 清除切片过程造成的深度损伤4、 抛光过程是一个 ---（ ）a. 一个化学 /机械过程b. 一个严格的化学过程c. 一个严格的机械过程d. 其它类型的过程5、 退火（抵抗稳定）过程为消除 ______的抵抗影响 ---（ ）a. piranha 清洗液（ H2SO4H2O2 ）b. siloxc. 金属d. 氧6、 哪一种平整度测试能说明硅片厚度的一致性 ---（ ）a. TTV （总厚度超差）b. TIR（总指示读数）c. 翘曲度d. FPD（焦平面背离）Page 12 of 36 切片目的1、 当将晶棒加工成硅片时，能确定切片加工的特性；2、 描述切片时所用的碳板的作用；3、 知道内圆切片和线切割机的优点和缺点；4、 硅片进行标识的目的；5、 硅片边缘 的原因；6、 描述硅片边缘 的典型方法。简介本章主要讨论多种切片工艺和它们的特征，对硅片的激光扫描，及硅片的边缘的 contour。切片综述当单晶硅棒送至硅片生产区域时，已经准备好进行切割了。晶棒已经过了头尾切除、滚磨、参考面磨制的过程，直接粘上碳板，再与切块粘接就能进行切片加工了。为了能切割下单个的硅片，晶棒必须以某种方式进行切割。在进行内圆切片的工场内，切片可能会引用许多标准。切片过程有一些要求能按晶体的一特定的方向进行切割；切割面尽可能平整；引入硅片的损伤尽可能的少；材料的损失尽量少。为了满足切片的这些要求，一些特殊的切片方法产生了。在下面章节中将讨论几种切片的特殊方法和相关的工艺。碳板当硅片从晶棒上切割下来时，需要有某样东西能防止硅片松散地掉落下来。有代表性的是用碳板与晶棒通过环氧粘合在一起从而使硅片从晶棒上切割下来后，仍粘在碳板上。许多情况下，碳板经修正、打滑、磨平后，在材料准备区域进行粘接。碳板不是粘接板的唯一选择，任何种类的粘接板和环氧结合剂都必须有以下几个特性能支持硅片，防止其在切片过程中掉落并能容易地从粘板和环氧上剥离；还能保护硅片不受污染。其它粘板材料还有陶瓷和环氧。图 2.1 说明了碳板与晶棒的粘接。Page 13 of 36 图 2.1 粘棒示意图石墨是一种用来支撑硅片的坚硬材料，它被做成与晶棒粘接部位一致的形状。大多数情况下，碳板应严格地沿着晶棒的参考面粘接，这样碳板就能加工成矩形长条。当然，碳板也可以和晶棒的其它部位粘接，但同样应与该部位形状一致。碳板的形状很重要，因为它要求能在碳板和晶棒间使用尽可能少的环氧和尽量短的距离。这个距离要求尽量短，因为环氧是一种相当软的材料而碳板和晶棒是很硬的材料。当刀片从硬的材料切到软的材料再到硬的材料，可能会引起硅片碎裂。碳板不仅在切片时为硅片提供支持， 而且也在刀片切完硅片后行经提供了材料，保护了刀片。这里有一些选择环氧类型参考强度、移动性和污染程度。粘接碳板与晶棒的环氧应有足够强的粘度，才能支持硅片直到整根晶棒切割完成。要找到这样的环氧并非难事，但还要考虑到污染程度，因此，它必须能很容易地从硅片上移走，只有最小量的污染。一般地，环氧能很容易在热的乙酸溶液中溶解，或用其他的方法解决。所有这些方法，都应对硅片造成尽可能低的污染。刀片当从晶棒上切割下硅片时，期望切面平整、损伤小、沿特定方向切割并且损失的材料尽量小。任何的不能满足这些最低标准的切割方法都不能被采用。有一个速度快、安全可靠、经济的切割方法是很值得的。当进行切片时，刀片所切下处或边缘处的材料都会损失，因此，更希望是一种低损失量的切片方法。这种损失量称为刀片损失。刀片损失是指材料损失的总量，因为这个损失是由于刀片在开槽时的移动而造成的。如果在切片过程中损失更少的量，那就意味着从同根晶棒上能切下更多的硅片，也就是降低了每一硅片的成本。在半导体企业， 通常只有几种切割方法被采用。两种通常被应用的方法是环型切割和线切割。环型切割通常是指内圆切割，是将晶棒切割为硅片的最广泛采用的方法。内圆切割内圆切割正如它的名字一样，切割的位置在刀片的表面。刀片是由不锈钢制成的大而薄的圆环。 刀片的内侧边缘镀有带钻石颗粒的镍层。 这一钻石 -镍的镀层提供了用来切割晶棒的表面，（见图 2.2） 。对于 150mm 的硅片，每刀用时 3 分钟。图 2.2 内圆刀片的构成和厚度对一典型的内圆刀片，其中心部位由约 0.005 英寸的不锈钢制成，镍 -钻石涂层是不锈钢刀片边缘两侧约 0.003 英寸。内圆刀片的内侧边缘总厚度约为 0.0125 英寸。这样，材料损失厚度略大于刀片的最厚度，大概在 0.013 英寸左右。镍 -钻石涂层的厚度是内圆刀片的一个重要参数。 很明显， 这一厚度越小， 刀片损失也就越少。Page 14 of 36 但是，如果涂层太薄的话，刀片切下的路径太窄，刀片可能会有更大潜在可能冲击边缘，如果刀片发生任何偏差而撞击到边缘，硅片就会受到损伤，在接下来的步骤中就需要去除更多的材料。因此，有一个最适宜的镍 -钻石涂层能得到最低的材料损失。不管金属的污染，不锈钢因为它的特性而被作为内圆刀片普遍采用的核心材料。不锈钢有高的延展性能允许刀片有很大的张力，这种强的张力能使刀片绷的很紧很直，从而在切割时能保持刀片平直。钢的另一个有利之处就是它很耐用。这种经久的耐用性，能额外使用同一刀片而不需更换， 从而使硅片的生产成本降低。 这是很重要的因为更换一把刀片需耗时 1.5 小时左右。记住在切片时使用了不锈钢也很重要，因为硅片会带有大量的金属离子。在硅片进行高温热处理之前，必须将金属从表面清除。否则，任何高温的过程都会使金属离子扩散进硅片而不易清除了。内圆刀片用内圆刀片来切割晶棒的原因是它有低的刀片损失，内圆刀片在开始塑性变形后，被张紧在鼓上。 这已超出了不锈钢的伸展点，为了能充分说明这个条件，要先介绍几个术语。压力是描述单位能承受的重量；张力是指改变后的长度与原始长度之比。通常用压力 -张力曲线来表示材料特性。 如图 2.3 所示， 可以得到材料的伸展点和最终延展强度。 伸展点是指材料在这一点上停止了按施加在其身上力比例伸展。从所画的图上可以看出，压力 -张力曲线最终成了线性关系。当压力超过一定数值时，材料就开始快速伸展而增加的压力很小。材料没有完全失效所能承受的最大压力称为最终延展强度。 在压力 -张力曲线上， 它处在最高点， 这点以后，如果材料再承受任何一点压力都会导致材料断裂。图 2.3 图 2.3 为内圆刀片张紧时的典型压力 -张力曲线。 当刀片伸展至塑变区域后， 就变得很刚直了。这就使不锈钢刀片有一中心厚度约 0.006 英寸左右， 要达到同样的程度， 外圆刀片的厚度是它的十倍多。厚度为 0.0125 英寸的内圆刀片，每切一刀，就损失一片硅片的 50厚度。如果刀片有其十倍厚，那么每切一刀，硅片的 500厚度都损失了。这就导致硅片的数量减少为原来的 1/4（见图 2.4） 。硅片数量的减少直接导致其成本的显著上升。图 2.4 Page 15 of 36 内圆刀片的切片运动类似于一种研磨形式。研磨剂（钻石）混合在镍金属内，钻石是非常硬的物质，能刮去任何其它物质的表面，还有两种相近硬度的材料见莫氏硬度等级。莫氏硬度等级莫氏等级是在 1800 年代晚期，由 Friedrich Mohs 发展起来的。他的等级图是根据一种材料切割其它材料而得出的。在这等级图上，任何硬度高的材料都能切割硬度比它低的材料。这一等级图范围从扑面粉 最软的材料之一， 到钻石 最硬的材料都包括在内了。 图 2.5 列出了十种元素 /化合物按硬度顺序排列的莫氏原始等级图。硅与石英有相近的硬度。从图上可看出，钻石能切割硅。图 2.5 当钻石涂覆在内圆刀片上切割晶棒时，它是在研磨硅材料。含钻石的研磨层在硅体内不断地研磨，造成硅的微观断裂而产生细微碎片。当刀片通过材料时，一些碎片也被带出来了。这个不断摩擦的过程，产生热和许多颗粒。一种润滑 /冷却溶液，通常如水或水容性润滑剂，用来清除相切位置的颗粒。这种液体能控制硅沫并使温度下降。内圆切片尺寸切割硅片需要的内圆刀片尺寸是很大的，如对于 200mm 硅片，刀片的外圆直径约在 32 英寸左右。这么大的尺寸是为了使内径足够大，从而能将粘有碳板的晶棒都能通过。另外，刀片本身也必须能够切割晶棒的任何位置而不会使晶棒碰到刀片外侧的张紧圈。 内径也相对较大，因为有了大的洞，刀片才能变得更硬。对于相同尺寸的晶棒，有一个办法能减小刀片的尺寸，就是在切割前将晶棒滚圆。这个安排有利之处在于内圆切片时， 只要通过晶棒一半的路程 ，因此，不需要如此大的直径。问题是，这种方法在切片时，要不引起硅片中心的 很困难。另一问题是它会导致碎裂并使硅片中心产生缺陷。随着晶棒直径的增大，内圆切片变得越来越不实用。切片损伤当切片机在切割晶棒时，会引起很多损伤。这些损伤来自于切片过程切磨的形式。这一过程会造成硅片产生许多细微破裂和裂纹，这种损伤层的平均厚度约为 25-30μ m。这样的损伤存在于刀片与晶棒接触的任何地方。因为切片接触的是硅片的表面，所以硅片表面存在着许多这样的损伤，这就意味着在接下来的过程中必须清除掉这些损伤，硅片才会有用。如果刀片有任何振动，损伤层就会更深，有时候甚至是平均厚度的 2-3 倍。为了防止损伤层的延伸扩展，必须小心仔细地操作，尽可能消除刀片振动。有些损伤如果很深的话，在磨片Page 16 of 36 之后仍能在硅片上看到。刀片偏转硅片弯曲和厚度偏差的主要根源在切片过程。影响硅片形状的最主要因素是切片过程中的刀片偏转。如果刀片在切片时发生振动，那么很有可能在刀片所在一侧的损伤层会比另一侧更深。不同的是，因刀片振动引起的损伤称为切片微分损伤。在切片过程中，刀片偏转监测器能提供刀片偏转的实时监测。刀片偏转监测器的安装尽可能接近于切片区域。这个位置一般接近刀片的内圆处，并接近刀片切入晶棒的入口或刀片退出时的出口（如图 2.6 所示） 。监测器是通过刀片处产生的旋涡来测试的。刀片偏转监测器的输出与反馈回路有关，当监测器探测到偏离时，这个回路能自动纠正路径偏离。在这个系统中，有一力量能纠正刀片偏差。这个系统使硅片切片时，有更少的翘曲度。图 2.6 在内圆切片时，刀片偏离的主要原因是对于刀片的切片速率而言，刀片的进给太快了。一般内圆刀片的进给速度是 5cm/min 。另一原因可能是钻石变脏了或者脱离了镍的涂层。当刀片因为脏而开始出现偏差时，就应进行修刀了。修刀过程是使刀片的涂层暴露出新的、锐利的钻石。修刀通常是将碳化硅或氧化铝的研磨棒切片来完成。研磨棒能将镍钻涂层的外层磨去从而显露出新的尖锐的钻石。要检查修刀是否成功，唯一的方法就是再进行硅棒的切割。尽管修刀能生产新的尖利的表面，但除非必须，否则不大进行，因为每一次修刀都会减少刀片的寿命并增加机器待工时间。问题在切片过程中，经常会发生一些问题硅片晶向错误，过分的切片损伤，刀片偏离，刀片失灵和碎片。刀片失灵有几种刀片变形、镍 -钻涂层崩溃、刀片断裂。经常发生的问题是刀片变形。内圆刀片的变形可能因在张紧时的错误方式或在试图快速通过晶棒时的刀片进给速度太快。其它刀片变形的发生可能因不锈钢刀片承受的力太大造成刀片延展。刀片如果过度变形后，就不能保持笔直通过晶棒。这是因为刀片在切片时会发生抖动。刀片失灵造成的最主要的问题是引起硅片断裂和大量的表面损伤。碎片（刀片退出时）无论任何方式，当刀片切割某种材料即将完成时，刀片在材料底部时，可能会引起材料碎裂，这种现象称为 exit chip 。 碎片的发生是由于在切割的最后阶段， 在材料的小区域中存在高的局部应力。当持续施加相同大小的压力在越来越薄的材料上，材料就无法再承受这样的压力。这片材料就开始断裂，材料的碎片就会松散。这些碎片尺寸相对较大，使硅片缺损，这样的硅片就不能使用了。图 2.7 列举了碎片的发生。图 2.7 最小限度（碎片）有两种方法防止碎片的发生，一种方法是在最后阶段，减小刀片施加在硅片上的压力。在最后，可以通过降低刀片进给速率来减小压力。另一个方法是在晶棒外侧位置贴上几片材料，使切割完成。外表面额外材料的增加提供载体有利于切片的完成。这样就减少了硅片较薄边Page 17 of 36 缘的压力，硅片也不会碎裂了。有一防止碎片的系统可供选择， 可以消除任何碎片的发生。就是使晶棒直径生长的稍大一点，那么在切片时，即使发生碎片，滚磨去碎裂处，仍有足够的材料。这种方法的应用使晶棒直径大 1.3mm 左右。切片之后，多余的材料就会被磨去。有了足够的材料，那么所有碎片的发生几乎都能包含在内了。应指出的是，碎片大多发生在 100晶向的硅片上，原因是（ 100）的硅片，切割垂直于（ 110）和其它（ 100）晶面。沿着（ 110）晶面切割很容易引起硅片碎裂。因此，在切割（ 100）向的硅片时，硅片有沿（ 110）晶面发生碎裂的趋向。在（ 111）向的硅片上， （ 111）面是与硅片的面相平行的。单晶硅的裂纹大多沿着（ 111）面。因此，任何裂纹的发生平行于切片方向而不会引起碎片。除了内圆切割外，还有线切割。尽管线切割已使用了几个世纪，但被应用到半导体厂家仅仅在最近 20 年内。它们最初需要昂贵的投资，但因在切片损失上的减少能使其很快收回成本。线切割使用研磨砂浆来切割晶棒，砂浆贴附在接触并进入晶棒的钢线上，钢线会产生压力压迫研磨剂与晶棒接触，这样在砂浆和晶棒间的压力接触使材料被磨去。线切割的基本结构很简单，一根小直径的钢线绕在几个导轮上使钢线形成梯形的形状。导轮上有凹槽能确保钢线以一定距离分隔开。一根连续的钢线集中绕导轮的一个个凹槽上，形成许多相同间隔的切割表面。线之间的空间决定了想要的硅片厚度。钢线的移动由线轴控制，因为整个系统只有一根钢线。线的两端分别绕在 线轴 上，晶棒慢慢向上（或向下）移动，穿过钢线，钢线能从晶棒上同时切割下许多硅片。图 2.8 是线切割的简单示意图。如 150mm 硅片，整根晶棒的切割完成只需约 5-8 小时。图 2.8 典型的线切割机使用的钢线直径约在 0.006 英寸。这么小的尺寸所造成的切片损失只有 0.008英寸。单根线通常有 100km 长，绕在两个线轴上。如此长的钢线的应用使线的单个区域每次都不会与砂浆及晶棒接触很长时间。这种与砂浆接触时间的减少有利于延长钢线的寿命。而且，长的钢线意味着在一个方向上的进给能维持相当长的时间而不需要转换方向通过反向的绕线回来。在一些系统中，钢线的进给在这次是一个方向，然后方向可翻转，然后再翻转。 举例来说，钢线向前走了约 30 秒，然后反向走 25 秒，然后再向前，如此反复。这样就使钢线通过系统的时间延长，或者刚在一个方向经过系统，反过来又要经过了。典型的钢线进给速度在 10m/s（ 22mph） ，即一根 100km 长的钢线经过一个方向需 10， 000 秒或约 2.75 小时。其中一个线导轮由马达驱动，控制整个钢线系统。钢线必须保持一定的张力能压迫砂浆中的磨砂研磨晶棒，并防止导轮上的钢线进给错误。这都由一个线张紧装置来自己控制并调整系统。这个系统保持钢线在一定张力下，并控制钢线的进给速度。线切割机的钢线与晶棒接触，而砂浆沉积在钢线上。砂浆由碳化硅与油混合而成，或其他一些类似的坚硬材料与液体的混合物。通过钢线的带动，砂浆会对晶棒缓慢研磨，带走晶棒表面少许材料，形成凹槽。钢线的不断移动将凹槽中的材料不断带走，在钢线完全通过晶棒后，砂浆仍随钢线移动。随着硅片直径的增加， 线切割机在硅片切割中将扮演更主要的角色。 当硅片达到 300mm 或更大时，内圆刀片的直径也必须增大，而且刀片的厚度必须增加才能充分维持其刚直性，这样Page 18 of 36 就会造成更多的刀片损失。另一方面，线切割机对于更大直径的硅片，不需要改变线的粗细。因此，线切割的切片损失仍保持不变，同一根晶棒就能得到比内圆切片更多的硅片。线切割的问题对于线切割，有两种主要的失效模式钢线张力的错误改变和钢线断裂。如果钢线的张力错误，线切割机就不能有效进行切割了。钢线有任何一点的松动，都会使其在对晶棒进行切割时发生摇摆，引起切割损失，并对硅片造成损伤。低的张力还会发生另一问题，会使钢线导轮发生错误进给。这一错误可能造成对晶棒的错误切割或者使钢线断裂。在切割过程中，钢线可能会从一个凹槽跳到另一个凹槽中，使硅片切割进行到一半。钢线也可能因张力太大，达到它所能承受的极限，导致钢线断裂。如果钢线断裂，可能对硅片造成损伤，并使切割过程停止。断裂的钢线还可能造成众多硅片的断裂。其它切割方式近几年来，还有许多切割工艺被建议用在硅片切割上。如 线性