大尺寸单晶硅片加工技术简介

康仁科

(大连理工大学, 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024)

大连理工大学高性能精密制造创新团队创建于1997年，获2019年国家科技进步创新团队奖。团队面向国家重大需求，聚焦高端装备和产品制造，瞄准国际一流水平和制造学科发展前沿，长期致力于高性能精密制造的基础理论和关键工艺技术研究，攻克了一批高端和重大装备的关键核心技术难题，研究出系列加工工艺与装备，广泛应用于航空航天、国防军工和能源动力等领域，经济效益和社会效益显著。团队现有中国工程院院士1人、中国科学院院士1人、973首席科学家2人、国家杰出青年科学基金获得者3人、教育部长江学者特聘教授4人、国家“万人计划”科技创新领军人才2人、科技部中青年科技创新领军人才2人、优青2人、青年长江学者2人，先后入选教育部科研创新团队和科技部重点领域创新团队。该团队主持和完成了973计划项目/课题、863计划项目、国家科技重大专项项目、国家自然科学基金重大/重点项目、国防预研等一批国家级重大、重点项目和重大横向课题，先后获得国家技术发明一等奖2项、二等奖3项、国家科技进步二等奖1项、省部级奖励多项。近10年来，出版著作3部，发表SCI论文326篇，授权发明专利257项，培养研究生897人。

硅元素在地壳中的含量仅次于氢元素和氧元素，其主要以化合物的形式广泛存在于自然界中。在20世纪，人们发现硅的半导体性质后，硅材料即作为基础性材料被陆续用于晶体管和集成电路(integrated circuit，IC)等半导体产业中。由于硅的储量丰富、价格低廉等特点，使其在半导体材料中居于极为重要的地位，并随着科技进步而蓬勃发展。

随着集成电路规模的不断扩大，硅材料已经成为其制造中应用最广的一种半导体材料，而半导体材料是制作半导体元件的核心，是芯片和电子设备制造工业的基础。目前，全球95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路采用单晶硅作为衬底材料。集成电路产业已成为信息技术产业的核心，作为支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业与信息社会建设的重要基石，其重要性不言而喻，而作为其衬底材料的单晶硅的重要性也随之凸显。

半导体单晶硅片的加工技术涵盖了从硅材料到成品硅片的所有工艺流程，在整个半导体产业链中发挥着极为重要的作用。

1 单晶硅片的材料特性与加工要求

1.1 单晶硅的材料特性

单晶硅中，原子以共价键形式结合，键能大，结合能力强。硅原子的四周杂化轨道及共价键的结构决定了单晶硅结构为金刚石Ⅳ型四面体结构。

单晶硅莫氏硬度达6.5，在常温下无延展性。在950～1 400 ℃温度范围内，单晶硅的抗拉强度由3.5×108Pa下降到1.0×108Pa。单晶硅的抗拉应力远大于抗剪应力，所以单晶硅容易发生碎裂，属典型的硬脆难加工材料。

1.2 IC用单晶硅片对加工的要求

随着IC产业的规模不断扩大和制备工艺技术不断发展，对硅片衬底的纯度、几何尺寸、加工精度、表面粗糙度、亚表面损伤等的要求越来越高。半导体制造用的大尺寸硅片面临的主要技术难题是高纯度、高表面平整度、高光滑度与高洁净度。如半导体级单晶硅纯度要求达到99.999 999 9%，硅片尺寸越大，单晶硅生长时的纯度控制越难。《国际半导体技术路线指南》中对硅片尺寸和加工精度等方面的要求包括：对用于线宽50 nm集成电路的300 mm直径单晶硅片，直径为300±0.2 mm，厚度为775±25 μm，翘曲度<10 μm，总厚度偏差(total thickness variation，TTV)<0.1 μm，局部平整度(site flatness front least square range，SFQR)≤51 μm，边缘扣除距离为2 mm，表面颗粒尺寸≤90 nm，表面颗粒数量≤0.09个/cm2，表面金属(原子个数/cm2)<6.8×109，硅片具有超平整、超光滑和近无损伤的表面。制备更小线宽的IC硅片的要求更高。

2 大尺寸单晶硅片的加工流程

针对IC用单晶硅片的要求，以直径为300 mm的硅片为例，从硅材料生长开始，制备抛光硅片所需主要工艺流程包括：晶体生长、整形处理、切片、倒角、磨削、腐蚀、表面处理、双面抛光、单面抛光、激光刻码、清洗。

(1)晶体生长

首先将硅砂提炼为纯度约98%的冶金级粗硅，再经过多次提纯，得到电子级高纯度多晶硅，经过熔炉炼制的硅锭，纯度可达99.999 999 9%以上。现阶段已经形成规模生产的晶体生长方法有2种，即直拉法(CZ法)和区熔法(FZ法)。先进的硅单晶拉制技术是在直拉炉中增加超导水平磁场装置，施加的磁场可以抑制多晶硅液面波动，使得单晶炉内液面非常平稳，可以有效提高制备的单晶硅晶体性能和晶体均匀性。

(2)整形处理

整形处理用于将硅锭加工成特定外形的硅棒，包括切割分段、外圆滚磨和定位面磨削等工序。切割分段用于切除硅锭中直径、电阻率和完整性不符合规格要求的部分；外圆滚磨用于去除硅锭表面的毛刺，并将硅锭磨削到所要求的直径；定位面磨削用于加工定位用的定位面(用于直径不超过150 mm的硅片)或V形槽(用于直径为200 mm和300 mm的硅片)。传统的硅锭加工成硅棒通常是先去除硅锭的前端和后端部分，再将硅锭截断分段进行滚磨整形，而目前的发展趋势是先将整个硅锭滚磨到标准直径，再截断成小段切片。硅锭整体滚磨成硅棒只需要进行1次对齐，然后再进行截断，因此可以显著减小截断后各个独立小段的晶向偏差，进而提高精度、减少材料浪费。

(3)切片

切片是将硅棒切割成一定厚度的硅片。常用的有内圆切割和线切割2种切片形式。对于直径不大于150 mm的硅片，采用带有金刚石切割边缘的内圆切割机来完成切片；对于直径为200 mm及以上的硅片，通常采用线切割系统来完成切片。半导体硅的线切割切片技术由最初的砂浆线切割，发展到目前的固结磨料金刚石线切割技术。山东大学葛培琪教授团队开展了大量的单晶硅金刚石线锯切片加工理论和技术研究工作，开发了专用装备，取得了系列研究成果。

(4)倒角

倒角用于消除硅片边缘棱角、崩边、裂纹和各种边缘缺陷，从而降低硅片边缘表面粗糙度，提高硅片的机械强度。现有的硅片倒角技术主要是采用碗口型砂轮对硅片进行成型倒角，现在陆续发展出了采用数控机床控制V型双仿形砂轮的倒角加工方法，由于双仿形砂轮是由数控系统控制，可自由设定上下倒角宽度、角度，即使倒角形状发生变化也无须更换砂轮。这代表了硅片倒角技术的发展方向。

(5)研磨/磨削

研磨/磨削加工用于切割硅片的平整化加工，去除切片过程在硅片表面形成的深度为20～50 μm的表面锯痕、起伏、应力损伤层等，获得高平面度的硅片表面。对于硅片的平整化加工，直径不大于200 mm的硅片多采用双面研磨技术，直径为300 mm及以上的硅片多采用超精密磨削技术。大连理工大学高性能精密制造创新团队系统开展了直径为300 mm硅片的超精密磨削理论与技术研究，开发了硅片加工变形评价技术和设备，研制出国内首台直径为300 mm的硅片全自动超精密磨床和系列金刚石砂轮。

(6)腐蚀

腐蚀用于去除切片、研磨等机械加工在硅片表面产生的损伤层和表面污染。大尺寸硅片的腐蚀一般采用酸腐蚀工艺，现在也陆续应用了碱腐蚀+酸腐蚀的复合腐蚀方式，该复合腐蚀方式在重掺杂的硅片上效果显著，应用越来越广泛。随着磨削技术的不断完善及成熟，硅片在磨削之后可直接进行抛光加工。

(7)表面处理

硅片的表面处理主要有硅片表面的热处理(包括常温退火热处理和高温快速退火热处理)、硅片背面的增强吸附处理、硅片背面的化学气相沉积处理。

(8)抛光

抛光用于去除前工序(切片和研磨/磨削)所残留的微缺陷及表面应力损伤层和去除表面的各种金属离子等杂质污染层，以获得表面平整、表面粗糙度极低的洁净硅片表面。对于直径不大于200 mm的硅片表面，常采用单面抛光技术；对于直径300 mm及以上的硅片表面，其粗、中抛光采用双面抛光技术，而精密抛光和最终抛光则采用单面抛光技术。清华大学路新春教授团队为推动我国化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)技术和设备产业化成立了华海清科股份有限公司，开展CMP设备和工艺及配套耗材的研发、生产、销售与服务，用于极大规模集成电路制造、封装、微机电系统制造、晶圆平坦化、基片制造等领域。

(9)激光刻码

激光刻码是依据客户需求，用激光在硅片表面靠近边缘的部位刻出产品型号、批号或规格等信息，方便客户进一步加工和交流。

(10)清洗

清洗用于清除不同工序加工后硅片表面存在的各种污染(包括表面的微粒、金属离子及有机污染物等)。传统的清洗方式是将多片硅片浸没在清洗槽中，采用大量化学清洗试剂集中进行清洗，而目前硅片清洗技术朝着单片化，清洗化学试剂简单化方向发展。

3 大尺寸单晶硅片加工技术发展趋势

半导体微电子产品不断向高速化、高集成化、高密度化和高性能化方向发展，促进了集成电路制造技术的飞速发展。硅片尺寸和工艺制程共同驱动着集成电路制造技术进步，两者并行发展，每个制程阶段都与硅片尺寸相对应。一方面，为了提高IC的集成度，特征线宽越来越细，芯片上的晶体管密度不断增加，增加的规律遵循摩尔定律；另一方面，为了满足急剧增长的IC市场需求，增加芯片产量，降低单元制造成本，所用的硅片趋向大直径化。

硅片直径越大意味着有更大的表面积来做芯片。根据规模经济学，增大硅片直径可减少每块芯片的加工和处理时间，提高设备生产效率，同时在同一工艺过程中可产出更多的芯片。对直径为300 mm的硅片来说，其面积比直径为200 mm的硅片多1.25倍，直径为200 mm的硅片大概能生产出88块芯片，而直径为300 mm的硅片则能生产出232块芯片。此外，硅片直径增大后，可以减少边缘芯片，使得芯片出片率明显提高。

随着直径为450 mm的硅片生产技术逐渐发展，其市场化进程加速，硅片直径将从300 mm朝着450 mm过渡。实际上，对于全球半导体产业来说，直径为450 mm的硅片仍然是一个悬而未决的课题。因此，未来几年先进制程芯片预计持续采用直径为300 mm的硅片，与之相关的硅片加工技术也将主要围绕直径为300 mm的硅片展开。

4 本期论文点评

《半导体硅片制备技术及产业现状》

闫志瑞, 等; 第5页

半导体硅片是集成电路产业中极为重要的基础材料，硅片基本理论的介绍和全球硅片市场现状与格局的分析对我国半导体材料产业发展具有极为重要的意义。

论文较为系统地介绍了硅片的制备技术及相关理论，详细分析了12 英寸(304.8 mm)硅片的国内外市场，探讨了我国在发展硅片方面面临的机遇与挑战，对于了解硅片的制备技术与理论及其国内外市场现状具有参考价值，有助于国内半导体产业了解市场和规划发展。

在集成电路产业成为支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性产业的大背景下，建议作者及广大从业者结合国家发展规划，抓住发展机遇，推动我国硅片半导体产业积极健康发展。

《单晶硅切片加工技术研究进展》

葛培琪, 等; 第12页

单晶硅切片加工在集成电路产业和光伏产业中发挥着重要的作用，对单晶硅切片加工技术的分类及其加工特点进行总结和探讨有助于了解该技术的研究进展、发展趋势和面临的挑战。

作者广泛调研了单晶硅切片加工技术背景、意义以及国内外的发展现状，并结合国内外相关学者开展的研究工作，对单晶硅切割加工技术分类，金刚石线锯切片加工过程、加工裂纹损伤及其抑制措施进行了综述。这些工作对于深入理解单晶硅切片加工技术和研究切片加工理论具有非常重要的借鉴价值。

随着半导体技术的发展，建议作者及相关学者关注超薄硅片的精密锯切技术，以及精密锯切技术在SiC、GaN等下一代半导体材料中的应用。

《陶瓷结合剂金刚石砂轮组织结构对其性能影响研究》

丁玉龙, 等; 第19页

硅片是集成电路制造的关键材料，陶瓷结合剂金刚石砂轮的超精密磨削是硅片加工制造过程中极为重要的环节。开展陶瓷结合剂金刚石砂轮的组织结构设计及其对硅片超精密磨削加工效果影响的研究，对于开发高端砂轮、发展硅片超精密磨削技术和研究超精密磨削理论意义重大。

作者设计并制备了3种组织结构的陶瓷结合剂金刚石砂轮，对3种砂轮的组织结构进行表征并对砂轮的机械性能进行测试。作者通过观测3种砂轮在实际硅片磨削加工中的主轴电流变化、砂轮磨损情况和磨削后的硅片表面形貌来分析和研究砂轮的磨削性能，通过对试验结果的分析得出了最优砂轮组织配方。该试验结果对砂轮制造企业和相关工程技术人员具有借鉴和指导意义。

但从整体来看，作者设计的砂轮组织配方种类较少，对应开展的试验次数也相对较少，因此建议作者在以往研究基础上继续开展砂轮组分及其对硅片超精密磨削性能影响的研究，以形成连贯的、成体系的完整研究路线。

《硅片化学机械抛光技术的研究进展》

徐嘉慧, 等; 第24页

化学机械抛光是目前唯一实现硅片全局平坦化的工艺技术，所加工表面具有纳米级面形精度和亚纳米级表面粗糙度，且无表面和亚表面损伤，是集成电路制造过程中重要的工艺之一。针对化学机械抛光技术，国内外研究学者进行了长期的、大量的研究，综述硅片的化学机械抛光技术研究进展，对于研究硅片化学机械抛光技术的原理、开发相关的设备和工艺具有重要意义。

作者对影响硅片化学机械抛光性能的因素(如抛光液、抛光垫和抛光压力等)以及目前先进抛光设备的特点进行了详细综述，为相关研究人员和工程技术人员了解本行业提供了参考。

CMP技术与集成电路制造技术是互相促进的，建议作者及从业者紧跟新一代半导体的材料、结构、加工要求，对CMP技术提出的新挑战潜心研究，实现我国CMP技术的高质量发展，缩小同国际先进技术水平的差距。