自1958 年集成電路誕生(每個(gè)芯片僅12個(gè)組件)至今60多年，集成電路基底使用的半導(dǎo)體材料也發(fā)展到了第三代。硅材料作為第一代半導(dǎo)體材料，目前占比約為整個(gè)半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的95％，是應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，主要用于制作邏輯芯片、存儲(chǔ)芯片等器件。

以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體材料主要用于射頻芯片的制備，應(yīng)用于低壓、高頻率器件；而以SiC、GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料主要用于高功率，高頻率芯片，主要應(yīng)用場(chǎng)景是大頻率，高功率器件。從技術(shù)成熟度和產(chǎn)業(yè)規(guī)模來看，以單晶硅為基礎(chǔ)的第一代半導(dǎo)體材料仍然占據(jù)集成電路領(lǐng)域的統(tǒng)治地位。

硅材料基礎(chǔ)簡(jiǎn)介

一、硅單晶的制備

1、直拉法

邏輯、存儲(chǔ)器芯片中使用的單晶硅片大多采用直拉法制備，市場(chǎng)占比超過90%，且目前以12 inch為主。

直拉法又叫CZ法，是當(dāng)今制備單晶硅的主流技術(shù)。主要流程是在石英坩堝中放入多晶硅，加熱使其熔融，然后夾住一塊單晶硅的籽晶，將它懸浮在坩堝之上，把籽晶的一端拉制插入熔體直到融化，然后再緩慢旋轉(zhuǎn)并向上提拉，這樣在液體與固體的界面就會(huì)經(jīng)過逐漸冷凝形成單晶。由于整個(gè)過程可以看作是復(fù)制籽晶的過程，所以生成的硅晶體是單晶硅。晶體的摻雜也是通過直接在坩堝中加入摻雜劑，使摻雜元素在拉制單晶的過程中直接溶入單晶之中，整個(gè)拉制過程如圖1所示。

2、區(qū)熔法

用區(qū)熔法(floating zone，F(xiàn)Z)制作的硅片主要用于功率器件的制備，硅片尺寸以8 inch及以下尺寸為主。與CZ法制作的硅片相比，F(xiàn)Z法最大的特點(diǎn)就是拉制單晶的電阻率相對(duì)較高，純度更高，能夠耐高壓；但是大尺寸硅片制備困難，而且機(jī)械能較差，所以在集成電路中使用較少。

區(qū)熔法單晶硅棒的制作過程如圖2所示，總共分為3步：

(1)在真空或稀有氣體環(huán)境下的爐室中，利用電場(chǎng)給多晶硅棒加熱，直到被加熱區(qū)域的多晶硅融化，形成熔融區(qū)。

(2)用籽晶接觸熔融區(qū)，并融化。

(3)使多晶硅上的熔融區(qū)不斷上移，同時(shí)籽晶緩慢旋轉(zhuǎn)并向下拉伸，逐漸形成單晶硅棒。

因?yàn)樵趨^(qū)熔法中不使用石英坩堝，避免了很多污染源，所以用區(qū)熔法拉的單晶具有純度高的特點(diǎn)。

二、硅片加工工藝

硅片的加工過程涉及幾十道工序，但按大工序可分為滾磨切割倒角、研磨腐蝕、拋光清洗3部分，具體流程如圖3所示。

1、滾磨切割倒角

直徑滾磨：由于在拉單晶的過程中，單晶硅棒的直徑不可能一直保持在目標(biāo)直徑，所以為了得到標(biāo)準(zhǔn)直徑的硅棒，如6 inch、8 inch、12 inch等，需要對(duì)拉制的單晶硅棒進(jìn)行滾磨處理，滾磨后的硅棒表面光滑，直徑均勻。

切割倒角：切割是把滾磨好的單晶棒切割成所需厚度硅片的過程。目前的硅片切割大多采用多線切割機(jī)來完成，且半導(dǎo)體硅片的切割大多是砂漿切割。完成切割工序的硅片由于厚度較小，邊緣非常鋒利，容易造成碎片。倒角的目的就是通過機(jī)械加工使得硅片邊緣形成指定形貌的光滑邊緣，倒角后的硅片有較低的中心應(yīng)力，因而更牢固，并且在以后的芯片制造中不容易產(chǎn)生碎片。

2、研磨腐蝕

硅片研磨是為了去除在切片加工中，硅片表面因切割產(chǎn)生的表面/亞表面機(jī)械應(yīng)力損傷層(20~50μm)和各種金屬離子等雜質(zhì)污染的表面，并使硅片具有一定精度幾何尺寸的平坦表面。

硅片研磨之后，其表面依舊有少量的均衡損傷。將這些損傷去除時(shí)，要盡可能減小附加損傷。比較有特色的就是用化學(xué)腐蝕的方法來處理，目前常用的腐蝕方法分為堿腐蝕和酸腐蝕。

3、拋光清洗檢驗(yàn)

硅片拋光的目的是得到一個(gè)光滑、平整、無損傷的硅表面。目前，硅片拋光多采用化學(xué)機(jī)械拋光方法，拋光的運(yùn)動(dòng)過程類似于研磨加工，但整個(gè)拋光過程的材料去除是在機(jī)械作用與化學(xué)作用的交替過程中完成的，可形成超光滑無損傷的加工表面，為后續(xù)集成電路制備做好基礎(chǔ)。

硅片拋光后表面有大量的沾污物，絕大部分是來源于拋光過程的顆粒。硅片清洗的目的就是有效地去除表面的各種顆粒及金屬離子，以滿足后期集成電路制作的要求。目前的清洗方法還是以RCA清洗法為基礎(chǔ)的各種改進(jìn)的清洗工藝。

硅片清洗后需要經(jīng)過嚴(yán)格的檢驗(yàn)工序，檢驗(yàn)合格后包裝發(fā)貨給客戶。檢驗(yàn)內(nèi)容包括硅片外形、幾何尺寸、表面沾污等幾十個(gè)參數(shù)，均需要采用專用設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)。目前為止，幾乎全部檢驗(yàn)設(shè)備都是從國外進(jìn)口的。

硅片制備是集晶體生長(zhǎng)、精密加工、化學(xué)清洗、薄膜技術(shù)、分析測(cè)試等工程化技術(shù)高度于一體的先進(jìn)制造業(yè)，是買不來的技術(shù)。從做出來到做好需要相當(dāng)長(zhǎng)的質(zhì)量、技術(shù)爬坡期，不斷的管理提升、技術(shù)創(chuàng)新是唯一出路，沒有捷徑。在此過程中，客戶是最好的老師，無論多難，只有跟著客戶的需求不斷改進(jìn)才能進(jìn)步。與此同時(shí)，國內(nèi)硅片產(chǎn)業(yè)的壯大離不開上下游產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展，只有裝備及材料的不斷國產(chǎn)化才能使產(chǎn)品更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

參考資料：

1、鄭州千磨官網(wǎng)

2、超硬磨料磨具網(wǎng)

3、半導(dǎo)體發(fā)展網(wǎng)