晶圆制备硅是一种灰色、易碎、四价的非金属化学元素。

地壳成分中27.8%是硅元素构成的，其次是氧元素，硅是自然界中最丰富的元素。

在石英、玛瑙、燧石和普通的滩石中就可以发现硅元素。

硅是建筑材料水泥、砖、和玻璃中的主要成分，也是大多数半导体和微电子芯片的主要原料。

有意思的是，硅自身的导电性并不是很好。

然而，可以通过添加适当的搀杂剂来精确控制它的电阻率。

半导体硅制备半导体器件和电路在半导体材料晶圆的表层形成，半导体材料通常是硅。

这些晶圆的杂质含量水平必须非常低，必须掺杂到指定的电阻率水平，必须是指定的晶体结构，必须是光学的平面，并达到许多机械及清洁度的规格要求。

制造IC级的硅晶圆分四个阶段进行：矿石到高纯气体的转变；气体到多晶的转变；多晶到单晶，掺杂晶棒的转变；晶棒到晶圆的制备。

半导体制造的第一个阶段是从泥土里选取和提纯半导体材料的原料。

提纯从化学反应开始。

对于硅，化学反应是矿石到硅化物气体，例如四氯化硅或三氯硅烷。

杂质，例如其他金属，留在矿石残渣里。

硅化物再和氢反应生成半导体级的硅。

这样的硅的纯度达99.9999999%，是地球上最纯的物质之一。

它有一种称为多晶或多晶硅的晶体结构。

制造半导体前，必须将硅转换为晶圆片。

这要从硅锭的生长开始。

单晶硅是原子以三维空间模式周期形成的固体，这种模式贯穿整个材料。

多晶硅是很多具有不同晶向的小单晶体单独形成的，不能用来做半导体电路。

多晶硅必须融化成单晶体，才能加工成半导体应用中使用的晶圆片。

加工硅晶片生成一个硅锭要花一周到一个月的时间，这取决于很多因素，包括大小、质量和终端用户要求。

超过 75%的单晶硅晶圆片都是通过 Czochralski (CZ) 直拉法生长的。

CZ 硅锭生长需要大块的纯净多晶硅将这些块状物连同少量的特殊III、V族元素放置在石英坩埚中，这称为搀杂。

加入的搀杂剂使那些长大的硅锭表现出所需要的电特性。

最普通的搀杂剂是硼、磷、砷和锑。

因使用的搀杂剂不同，会成为一个 P 型或N型的硅锭（P 型 / 硼， N 型 / 磷、锑、砷），然后将这些物质加热到硅的熔点--摄氏1420度之上。

一旦多晶硅和搀杂剂混合物熔解，便将单晶硅种子放在熔解物的上面，只接触表面。

种子与要求的成品硅锭有相同的晶向。

为了使搀杂均匀，子晶和用来熔化硅的坩埚要以相反的方向旋转。

一旦达到晶体生长的条件，子晶就从熔化物中慢慢被提起。

生长过程开始于快速提拉子晶，以便使生长过程初期中子晶内的晶缺陷降到最少。

然后降低拖拉速度，使晶体的直径增大。

当达到所要求的直径时，生长条件就稳定下来以保持该直径。

因为种子是慢慢浮出熔化物的，种子和熔化物间的表面张力在子晶表面上形成一层薄的硅膜，然后冷却。

冷却时，已熔化硅中的原子会按照子晶的晶体结构自我定向。

硅锭完全长大时，它的初始直径要比最终晶圆片要求的直径大一点。

接下来硅锭被刻出一个小豁口或一个小平面，以显示晶向。

一旦通过检查，就将硅锭切割成晶圆片。

由于硅很硬，要用金刚石锯来准确切割晶圆片，以得到比要求尺寸要厚一些的晶片。

金刚石锯也有助于减少对晶圆片的损伤、厚度不均、弯曲以及翘曲缺陷。

切片用有金刚石涂层的内圆刀片把晶圆从晶体上切下来，这些刀片是中心有圆孔的薄圆钢片，圆孔的内缘是切割边缘，用金刚石涂层。

内圆刀片有硬度，但不用非常厚。

这些因素减少刀口（切割宽度）尺寸，也就减少一定数量的晶体被切割工艺所浪费。

对于300毫米直径的晶圆，使用线切割来保证小锥度的平整表面和最少量的刀口损失。

切割晶圆片后，开始进入研磨工艺。

研磨晶圆片以减少正面和背面的锯痕和表面损伤。

同时打薄晶圆片并帮助释放切割过程中积累的应力。

研磨后，进入刻蚀和清洗工艺，使用氢氧化钠、乙酸和硝酸的混合物以减轻磨片过程中产生的损伤和裂纹。

关键的倒角工艺是要将晶圆片的边缘磨圆，彻底消除将来电路制作过程中破损的可能性。

倒角后，要按照最终用户的要求，经常需要对边缘进行抛光，提高整体清洁度以进一步减少破损。

生产过程中最重要的工艺是抛光晶圆片，此工艺在超净间中进行。

超净间从一到一万分级，这些级数对应于每立方米空间中的颗粒数。

这些颗粒在没有控制的大气环境下肉眼是不可见的。

例如起居室或办公室中颗粒的数目大致在每立方米五百万个。

为了保持洁净水平，生产工人必须穿能盖住全身且不吸引和携带颗粒的洁净服。

在进入超净间前，工人必须进入吸尘室内以吹走可能积聚的任何颗粒。

大多数生产型晶圆片都要经过两三次的抛光, 抛光料是细浆或者抛光化合物。

多数情况下，晶圆片仅仅是正面抛光，而300毫米的晶圆片需要双面抛光。

除双面抛光以外，抛光将使晶圆片的一面象镜面一样。

抛光面用来生产电路，这面必须没有任何突起、微纹、划痕和残留损伤。

抛光过程分为两个步骤，切削和最终抛光。

这两步都要用到抛光垫和抛光浆。

切削过程是去除硅上薄薄的一层，以生产出表面没有损伤的晶圆片。

最终抛光并不去除任何物质，只是从抛光表面去除切削过程中产生的微坑。

磨片半导体晶圆的表面要规则，且没有切割损伤，并要完全平整。

第一个要求来自于很小尺度的制造器件的表面和次表面层，它们的尺度在0.5到2微米之间。

先进的光刻工艺把所需的图案投影到晶圆表面，如果表面不平，投影将会扭曲就象电影图像在不平的银幕上没法聚焦一样。

平整和抛光的工艺分两步：磨片和化学机械抛光。

磨片是一个传统的磨料研磨工艺，精调到半导体使用要求。

磨片的主要目的是去除切片工艺残留的表面损伤。

化学机械抛光（CMP）最终的抛光步骤是一个化学腐蚀和机械磨擦的结合。

晶圆装在旋转的抛光头上，下降到抛光垫的表面以相反的方向旋转。

抛光垫材料通常是有填充物的聚亚安酯铸件切片或聚氨酯涂层的无纺布。

二氧化硅抛光液悬浮在适度的含氢氧化钾或氨水的腐蚀液中，滴到抛光垫上。

碱性抛光液在晶圆表面生成一薄层二氧化硅。

抛光垫机以持续的机械磨擦作用去除氧化物，晶圆表面的高点被去除掉，直到获得特别平整的表面。

如果一个半导体晶圆的表面扩大到10000英尺（飞机场跑道的长度），在总长度中将会有正负2英寸的平整度偏差。

获得极好平整度需要规格和控制抛光时间、晶圆和抛光垫上的压力、旋转速度、抛光液颗粒尺寸、抛光液流速、抛光液的PH值、抛光垫材料和条件。

化学机械抛光是业界发展起来的制造大直径晶圆的技术之一。

在晶圆制造工艺中，新层的建立会产生不平的表面，使用CMP以平整晶体表面。

在这个应用中，CMP被翻译成化学机械平面化（Planarization）。

背处理在许多情况下，只是晶圆的正面经过充分的化学机械抛光，背面留下从粗糙或腐蚀到光亮的外观。

对于某些器件的使用，背面可能会受到特殊的处理导致晶体缺陷，叫做背损伤。

背损伤产生位错的生长辐射进入晶圆，这些位错起象是陷阱，俘获在制造工艺中引入的可移动金属离子污染，这个俘获现象又叫做吸杂。

背面喷沙是一种标准的技术，其它的方法包括背面多晶层或氮化硅的淀积。

边缘倒角和抛光边缘倒角是使晶圆边缘圆滑的机械工艺。

应用化学抛光进一步加工边缘，尽可能的减少制造中的边缘崩边和损伤，边缘崩边和损伤能导致碎片或是成为位错线的核心。

晶圆评估在包装以前，需要根据用户指定的一些参数对晶圆（或样品）进行检查。

主要的考虑是表面问题如颗粒，污染和雾。

这些问题能够用强光或自动检查设备来检测出。

氧化晶圆在发货到客户之前可以进行氧化。

氧化层用以保护晶圆表面，防止在运输过程中的划伤和污染。

许多公司从氧化开始晶圆制造工艺，购买有氧化层的晶圆就节省了一个生产步骤。

包装虽然花费了许多努力生产高质量和洁净的晶圆，但从包装方法本身来说，在运输到客户的过程中，这些品质会丧失或变差。

所以，对洁净的和保护性的包装有非常严格的要求。

包装材料是无静电、不产生颗粒的材料，并且设备和操作工要接地，放掉吸引小颗粒的静电。

晶圆包装要在洁净室里进行。

晶圆外延尽管起始晶圆的质量很高，但对于形成互补金属氧化物半导体（CMOS）器件而言还是不够的，这些器件需要一层外延层。

许多大晶圆供应商有能力在供货前对晶圆外延。

抛光后，晶圆片要通过一系列清洗槽的清洗，这一过程是为去除表面颗粒、金属划痕和残留物。

之后，要经常进行背面擦洗以去除最小的颗粒。

这些晶圆片经过清洗后，将他们按照最终用户的要求分类，并在高强度灯光或激光扫描系统下检查，以便发现不必要的颗粒或其他缺陷。

一旦通过一系列的严格检测，最终的晶圆片即被包装在片盒中并用胶带密封。

然后把它们放在真空封装的塑料箱子里，外部再用防护紧密的箱子封装，以确保离开超净间时没有任何颗粒和湿气进入片盒。

半导体或芯片是由硅生产出来的。

晶圆片上刻蚀出数以百万计的晶体管，这些晶体管比人的头发要细小上百倍。

半导体通过控制电流来管理数据，形成各种文字、数字、声音、图象和色彩。

它们被广泛用于集成电路，并间接被地球上的每个人使用。

这些应用有些是日常应用，如计算机、电信和电视，还有的应用于先进的微波传送、激光转换系统、医疗诊断和治疗设备、防御系统和NASA航天飞机。

Ferrotec China 研发中心。