通译百科：晶圆

含光混世贵无名,孤高何用比云月

晶圆

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晶圆是指制作硅半导体电路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种，然后慢慢拉出，形成圆柱形的单晶硅。硅晶棒在经过研磨，抛光，切片后，形成硅晶圆片，也就是晶圆。目前国内晶圆生产线以 8英寸和 12 英寸为主。晶圆的主要加工方式为片加工和批加工，即同时加工1 片或多片晶圆。随着半导体特征尺寸越来越小，加工及测量设备越来越先进，使得晶圆加工出现了新的数据特点。同时，特征尺寸的减小，使得晶圆加工时，空气中的颗粒数对晶圆加工后质量及可靠性的影响增大，而随着洁净的提高，颗粒数也出现了新的数据特点。

>制作流程

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晶圆制造流程图

如右图所示，常见的 200mm CMOS 芯片的晶圆制造过程。

化学气相沉积是在制造微电子器件时被用来沉积出某种薄膜的技术，这种薄膜可能是介电材料或者半导体。物理气相沉积技术则是使用惰性气体，撞击溅镀靶材，在晶圆表面沉积出所需的材质。制程反应室内的高温和真空环境可以使这些金属原子结成晶粒，在经过图案化（patterned）和蚀刻，得到所需的导电电路。

光学显影是将光罩上的图形转换到薄膜上。光学显影一般包括光阻涂布、烘烤、光照对准、曝光和显影等步骤。干式蚀刻是目前最常用的蚀刻方式，其以气体为主要的蚀刻媒介，由电浆来驱动反应。蚀刻是将表面某种不需要的材质部分移除。

化学机械研磨（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是既有机械研磨又有酸碱溶液式的化学研磨两种相结合的技术，可以使晶圆表面较为平坦，方便后面工序。在进行研磨时，研磨浆在晶圆和研磨垫之间。影响 CMP 的因素有：研磨头的压力和晶圆平坦度，旋转速度，研磨浆的化学成分等等。

>性能参数

硅晶圆和硅太阳能电池分别是半导体材料和半导体器件的典型代表。半导体特性参数衡量和表征材料及其器件的性能。由于载流子是半导体材料及器件的功能载体，载流子移动形成电流及电场，同时载流子具有发光、热辐射等特性，因此载流子参数是表征半导体材料及器件载流子输运特性的基础，即载流子参数是硅晶圆和硅太阳能电池特性参数的重要组成部分。当硅晶圆经过加工、制造形成硅太阳能电池后，由于 pn 结和费米能级的差异，导致载流子分离形成电压，进而有饱和电流、填充因子和光电转化效率等电性能参数直观反映并影响太阳能电池伏安特性。综上分析，硅晶圆的主要特性参数包括载流子参数。

载流子分为多数载流子和少数载流子，包括电子和空穴。载流子扩散和漂移形成电流构成半导体器件传递信息的基础。载流子输运参数是描述载流子运动和浓度的基本参数，主要包括载流子寿命、扩散系数及前、后表面复合速率等。这些参数直接反映了半导体材料的物理特性和电学性能，影响载流子浓度、迁移率；掺杂浓度是决定载流子浓度另一重要参数，影响材料电阻率和载流子寿命等参数，决定器件性能。

>载流子浓度

多数半导体器件为少数载流子器件，如硅太阳能电池。本文后续提到的载流子参数均为少数载流子参数。半导体在热平衡状态下，空穴和电子浓度相等，此时为稳态；当受到外部激励（光、电、热等能量激励）时，半导体处于非平衡状态，电子和空穴均增加，形成过剩载流子。载流子寿命（lifetime），是指过剩载流子平均存在时间，载流子浓度满足指数衰减规律。

>载流子寿命

载流子寿命根据载流子复合类型可分为辐射复合寿命、俄歇复合寿命以及Shockley-Read-Hal（SRH）复合寿命。载流子寿命是反映材料和器件缺陷浓度的重要参数，也是衡量器件开关速度、电流增益、电压等特性的重要指标，同时对半导体激光器、光电探测器以及太阳能电池等光电子器件的电光和光电转化效率起到重要作用。

>表面复合速率

载流子既在材料体内发生复合也在表面发生复合。表面复合寿命或表面复合速率（Surface recombination velocity，s）是描述载流子在表面复合快慢的物理量。表面复合寿命越大说明表面复合速率越低，反之，表面复合速率越高。表面粗糙度、表面悬挂键等表面物理性质和状态是影响表面复合速率的关键。表面复合速率是表征材料的表面质量的重要性能参数。

>有效寿命

载流子有效寿命是将体寿命和表面复合寿命综合的参数，是特定样件载流子整体寿命的表征。目前大多数检测技术检测的载流子寿命为载流子有效寿命，无法将体寿命和表面复合速率分离，因此很难逐一分析表面处理工艺、体内缺陷和掺杂等过程对硅晶圆和太阳能电池性能的影响。

>扩散系数

扩散系数（Diffusion coefficient，D）是表征在单位时间单位面积上，载流子通过界面快慢的物理量。扩散系数和载流子寿命共同决定载流子扩散长度（Diffusion length），扩散长度是评价材料性能的典型参数，载流子扩散长度越长材料质量越好；对于太阳能电池来说，载流子扩散长度越长载流子分离和收集效率越好、光电转化效率越高。

>掺杂

掺杂是形成功能半导体的必要环节，掺杂浓度对电阻率和载流子输运参数有着重要影响。本征半导体，即不掺杂半导体，常温时电阻率非常高，随着掺杂浓度增加，电阻率降低，载流子寿命和扩散长度逐渐降低。

>重点制造过程

>抛光过程

随着集成电路(Integrated circuit,IC)制造技术的不断发展，芯片特征尺寸越来越小，互连层数越来越多，晶圆直径也不断增大。要实现多层布线，晶圆表面必须具有极高的平整度、光滑度和洁净度，而化学机械抛光(Chemical mechanical polishing, CMP)是目前最有效的晶圆平坦化技术，它与光刻、刻蚀、离子注入、PVD / CVD 一起被称为 IC 制造最核心的五大关键技术。

CMP 装备主要由抛光头、抛光盘、修整器、抛光液输送系统等部分组成，而抛光头及其压力控制系统是其中最关键、最复杂的部件，是 CMP 技术实现纳米级平坦化的基础和核心。目前国外最先进的 300 mm 晶圆抛光头采用气压方式加载，具有分区压力、真空吸附、浮动保持环及自适应等功能，十分复杂。随着特征尺寸不断减小和晶圆直径不断增加，对 CMP 表面质量的要求也越来越高，传统的单区压力抛光头已无法满足要求。如果抛光头能够将晶圆分成多个区域进行加载，通过改变施加压力的大小就可以控制不同区域的材料去除率。当前国际上高端300 mm晶圆CMP 装备的抛光头通常具有三个压力分区。此外，在 45 nm 技术节点及以下，目前的 CMP 装备(抛光压力>6.985 kPa)极易造成 Low-k 材料的断裂、划伤以及 Low-k 介质/铜界面剥离等问题，超低压力 CMP(<3.448 kPa)将是未来 CMP 装备和技术的主要发展方向。

在 CMP 过程中抛光头主要起以下作用：①对晶圆施加压力；② 带动晶圆旋转并传递转矩；③ 保证晶圆与抛光垫始终贴合良好，不掉片、碎片。此外，在高端 CMP 装备中抛光头最好能在不借助外界条件的情况下依靠自身结构夹持晶圆，以提高生产效率。

分区压力抛光头是衡量 CMP 装备技术水平高低的重要因素。其核心思想来自 Preston 模型，根据该模型。根据 CHEN 等的研究，抛光头的分区数量越多，对材料去除率的调节能力越强。但分区数量越多意味着其结构更复杂、研发难度更大。抛光头各区尺寸划分并无具体要求，即可等分，又可根据抛光头的内部实际结构进行划分。

为防止晶圆在旋转过程中被甩出，抛光头必须具有保持环结构。在 CMP 技术的发展历程中出现过两种保持环：固定保持环和浮动保持环。由于固定保持环无法避免边缘效应，目前的主流 CMP 装备均采用了浮动保持环，通过对浮动保持环施加不同的压力可以调节晶圆与抛光垫的接触状态，从而有效改善边缘效应。

由于保持环与抛光垫紧密贴合，必须在保持环底部设计一系列沟槽以引导抛光液顺利进入晶圆/抛光垫界面。此外，为提高寿命，保持环需选择高强度、耐腐蚀、耐磨损的聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide, PPS) 或聚醚醚酮 (Polyetheretherketone, PEEK)等材料。

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抛光头真空吸附示意图

前面提到抛光头很重要的一个功能是夹持晶圆，实现晶圆在装卸工位与抛光工位之间的快速、可靠传输。在 CMP 技术的发展历程中出现过机械夹持、石蜡粘接、真空吸盘等多种夹持方式，但以上方式在效率、可靠性、洁净度等方面已无法满足高端 CMP 装备的要求。多区抛光头采用真空吸附方法夹持晶圆，基本原理如右图所示。首先对多区气囊施加正压，将气囊与晶圆之间的空气挤出，然后利用气囊不同分区的正、负压组合控制，在气囊和晶圆之间形成负压区，将晶圆牢固地吸附在抛光头上。该方法充分利用了抛光头自身的多区气囊结构，具有快速、可靠、无污染等优点。

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抛光头气路图

压力控制系统通过气压方式对抛光头进行压力控制，其主要功能有：① 对晶圆和保持环进行压力加载；② 对抛光头抽负压以夹持晶圆；③ 检测各腔室是否漏气。多区抛光头的压力控制原理如右图所示。抛光头气路的主要元件有气源、减压阀、电气比例阀、真空发生器、真空调压阀、两位三通阀、两位两通阀以及压力传感器等。抛光头共有五个压力腔室(Z1～Z5)，每个腔室都具有施加正压、抽负压、通大气和泄漏检测等功能，其中正压采用全闭环控制。

>分层划片过程

硅片划片方法主要有金刚石砂轮划片、激光划片。激光划片是利用高能激光束聚焦产生的高温使照射局部范围内的硅材料瞬间气化，完成硅片分离，但高温会使切缝周围产生热应力，导致硅片边缘崩裂，且只适合薄晶圆的划片。超薄金刚石砂轮划片，由于划切产生的切削力小，且划切成本低，是目前应用最广泛的划片工艺。

由于硅片的脆硬特性，划片过程容易产生崩边、微裂纹、分层等缺陷，直接影响硅片的机械性能。同时，由于硅片硬度高、韧性低、导热系数低，划片过程产生的摩擦热难于快速传导出去，易造成刀片中的金刚石颗粒碳化及热破裂，使刀具磨损严重，严重影响划切质量。

国内外学者对硅片划片技术做了大量的研究。张红春等通过建立振动量与划切工艺参数之间的回归方程，采用遗传学算法得出对应小振动量下的最佳工艺参数，并通过试验验证了最佳工艺参数组合可以有效降低主轴振动量，得到更好的划切效果。李振材等研究发现采用超声振动辅助划片产生的锯切力比无超声辅助的单晶硅划片产生的锯切力小，并通过硅片划片试验验证了超声振动降低锯切力可以抑制硅片的崩边。日本 Disco 公司针对 low-K 介质硅晶圆难以使用普通金刚石刀片进行划切加工的问题，开发一种激光开槽加工工艺，即先在划切道内开2 条细槽，再使用刀片在两条细槽之间实施全划片加工，通过该项工艺能够提高生产效率，减小崩边、分层等不良因素造成的质量缺陷。复旦大学陆雄等采用先激光开槽后机械刀片划片工艺划切 low-k 介质硅晶圆材料，相比于直接刀片划片，芯片结构完整且无金属层脱落、翻起现象，但工艺过程繁琐，划片成本高。Yu Zhang 等发现通过提高刀片旋转过程的阻尼比，一定程度上可降低刀具高速旋转过程中的振动现象，从而提高开槽性能，减小崩边尺寸，但是没有进行深入研究。

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单次划片，即一次完全划切硅片，划片深度到UV 膜厚度 1/2 的位置，如右图所示。该方法工艺过程简单，适合超薄材料划片，但在划片过程中刀具磨损严重，划片刀边缘易产生崩边、微裂纹，切缝边缘表面形貌差。

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分层划片工艺，如右图所示。根据划片材料的厚度，在划片深度方向采用分层进给的方式进行划片。首先进行开槽划片，采用比较小的进给深度，以保证刀具受力小，降低刀具磨损，减小划片刀崩边，然后再划片到 UV 膜厚度 1/2 的位置。

>检测技术

半导体工业对于晶圆表面缺陷检测的要求，一般是要求高效准确，能够捕捉有效缺陷，实现实时检测。较为普遍的表面检测技术主要可以分为两大类：针接触法和非接触法，接触法以针触法为代表；非接触法又可以分为原子力法和光学法。在具体使用时，又可以分为成像的和非成像的。

针触法顾名思义是通过触针与被检材料的接触来进行检测，是制造业中比较早的表面检测方法。被测表面的形状轮廓信息是通过触针传递给传感器的，所以触针的大小和形状就显得尤其重要。按照针触法的检测原理，针尖的半径趋近于 0才有可能检测到被测物真实的轮廓。但是触针的针尖越细，被测表面产生的压力也会越大，触针容易受到磨损，划伤被测物表面。对于镀膜表层和软质金属，接触式检测容易损伤被测样品表层，一般是不可使用的。

1981 年 Binnig 和 Rohrer 等发明了扫描隧道显微镜(STM)。STM 的利用量子隧道效应，针尖和被测物体表面作为两极。用极细的针尖去接近样品表面，当距离很近的时候，形成隧道结。针尖与样品表面的距离保持恒定，使针尖在样品的表面进行三维运动，将针尖感觉到的原子高度传入计算机中，经过后期处理就得到被测物品表面的三维形貌。由于 STM 的使用有其局限性，Binnig 等人在 STM 基础上又研制了原子力显微镜(AFM)。AFM 检测针尖和试件之间的吸引或排斥力，所以可用于导体和非导体材料。

扫描近场光学显微镜(SNOM)是利用被测样品表面附近近光场的特性，来探测其表面形貌。其分辨率可远远超过常规显微镜分辨率的限制(λ/2)。

目前半导体工业中常用的成像检测方法主要包括自动光学检测、X 射线检测、电子束检测等。扫描电子显微镜(SEM)是 1965 年发明的显微物体研究工具。SEM是用电子束去扫描样品，造成样品的二次电子发射，二次电子能够产生样品表面放大的形貌像。这种图像是逐点成像放大，有一定的顺序。SEM 的优点是分辨率极高。

X 射线无损检测技术与数字图像处理技术相结合，可以对器件内部连线进行高分辨率检测。安捷伦的市场占有率较高，典型产品有 5DX 系统。

自动光学检测(AOI)技术是一种基于光学原理的检测技术，它通过精密仪器平台的运动、图像采集装置结合数字图像处理技术，对样品表面的缺陷进行检测，优点是检测速度较快。AOI 设备是近几年在国内发展比较迅速，算得上比较有市场潜力。AOI 技术是通过 CCD 或 CMOS 传感器获得图像，模数转换后传入计算机，经过数字图像处理，将其与标准图像进行对比。

>晶圆的缺陷和成因

晶圆分为无图案晶圆（Bare Wafer）和图案晶圆（Patterned wafer），如右图所示。考虑两种晶圆的缺陷类型的出发点有些不同。晶圆表面的缺陷类型很多，既有可能是工艺产生也有可能材质本身的缺陷。采用不同的缺陷检测方式，可能会对缺陷进行不同的划分。综合考虑缺陷的物理属性和后面缺陷检测算法的针对性，缺陷可以简单地分为表面冗余物（颗粒，污染物等），晶体缺陷（滑移线缺陷，堆垛层错），划痕，图案缺陷（针对图案晶圆）。

>晶圆表面冗余物

晶圆表面的冗余物种类比较多，小到几十纳米的微小颗粒，大到几百微米的灰尘，以及前一个工序留下的表面残留物。颗粒是可能引入的工序有刻蚀、抛光、清洗等。冗余物缺陷主要来自于生产加工中晶圆表面的灰尘、空气纯净度未到达标准以及加工过程中化学试剂等。这些颗粒在光刻时会遮挡光线，造成集成电路结构上的缺陷，污染物可能会附着在晶圆表面，造成图案的不完整，影响芯片的电气特性，如右图所示。