一、抛光与切片

拉制出的硅单晶锭并非完美的圆形，直径分布也不均匀，必须经过一系列加工才能达到设计的形状和尺寸。通常，拉制出的硅单晶锭尺寸会特意设计得偏大，经研磨去除多余部分后，最终得到符合要求的圆柱形和直径。

图1：硅单晶锭的研磨过程示意图

硅晶圆的尺寸从20世纪60年代的25mm（1英寸）逐步发展到2001年的300mm（12英寸）。1英寸至6英寸（150mm）的硅晶圆通过平边（分为主平边和副平边）标识晶体取向，平边还可用于光刻工艺中的对准操作（后续章节详细介绍）。当硅晶圆尺寸达到8英寸（200mm）及以上时，会用小切口（notch）替代平边（见图2）。此外，也存在没有平边或切口的硅晶圆。

图2：硅晶圆上平边和切口的位置及标识示意图

图2中出现的{100}和{111}，指的是硅晶体的晶面和晶向，具体可参考图硅晶格示意图。在坐标系中，硅晶体主要分为三个晶面：(100)、(110)和(111)。(100)指仅与X轴相交的平面；(110)指与X轴和Y轴相交的平面；(111)指与X轴、Y轴和Z轴相交的平面（见图3）。

图3：硅晶体的晶面示意图

用于表示晶面的整数100、110和111称为密勒指数，这一命名是为了纪念英国科学家威廉・哈洛威・密勒（William Hallowes Miller，1801—1880），他奠定了现代晶体学的基础。

符号{100} 包含(100)、(-100)、(010)、(0-10)、(001)和(00-1)等晶面；{110}和{111}的含义类似。与晶面相对应，[100]、[110]和[111]用于表示晶轴，<100>代表[100]、[-100]、[010]、[0-10]、[001]和[00-1]六个方向；<110>和<111>的含义相同。在固体物理中，硅的晶格结构属于金刚石四面体结构，半导体材料中还有其他类型的晶格结构，这里暂不讨论。

硅单晶锭研磨完成后，需进行切片处理，常用的切片工具包括线锯和内圆锯（ID锯）。图4为多线锯机的示意图，该技术可一次性将完整的硅单晶锭切成数百片硅晶圆。硅单晶锭切片成硅晶圆后，还需依次进行边缘倒角、激光打标、研磨、抛光和清洗等后续步骤。

图4：多线锯机的结构示意图

切片后的硅晶圆边缘不够光滑，在搬运过程中可能会产生崩边等机械损伤；在光刻工艺的光刻胶涂覆步骤中，粗糙的边缘会导致光刻胶在边缘堆积，即边缘珠（edge bead）现象，造成薄膜厚度不均匀。边缘倒角的核心目的就是避免这些问题（见图5）。

图5：边缘倒角机的结构示意图

激光打标的作用是在硅晶圆正面靠近主平边或切口的位置，制作字母数字或条形码标识。根据半导体设备和材料协会（SEMI）标准M1.8，激光打标需包含18个字符，用于标识硅晶圆制造商、导电类型、电阻率、平整度、硅晶圆编号和器件类型，以便对单张硅晶圆或硅晶圆批次进行生产追溯（见图6）。

图6：硅晶圆边缘标识的含义说明（a）标识包含制造商、电阻率、掺杂剂等关键信息；（b）硅晶圆上标识的实物图。

研磨和抛光过程结合了化学蚀刻和机械抛光，因此该过程被称为化学机械抛光（CMP）。设备的基本结构如图7所示。化学机械抛光完成后，需对硅晶圆进行湿法蚀刻和清洗，以去除表面的机械损伤和抛光浆料。蚀刻主要通过化学反应去除硅晶圆表面的部分薄层：若蚀刻在液体蚀刻剂中进行，称为湿法蚀刻；若在气态化学物质中进行，则称为干法蚀刻，本步骤采用湿法蚀刻。

图7：硅晶圆化学机械抛光（CMP）设备的结构示意图

对于硅晶圆而言，RCA清洗是一套标准清洗（SC）步骤。该清洗方法于1965年由美国无线电公司（RCA）的工程师沃纳・克恩（Werner Kern）开发。图8为RCA清洗流程图，其中硫酸/过氧化氢（H₂SO₄/H₂O₂）溶液是半导体工艺中常用的清洗液。

图8：RCA清洗的详细流程示意图

直拉法是生产用于一般半导体器件制造的硅晶圆（称为直拉硅晶圆）最经济的方法，但它存在一个主要问题：由于单晶锭是从石英坩埚中拉制而成，硅中总会存在一定的氧污染。为避免这种污染，已采用石墨坩埚，但这会导致硅中产生碳杂质。因此，采用直拉法难以获得电阻率大于100Ω・cm的硅晶圆。

更高纯度的硅可通过区熔法（FZ）制备：将圆柱形多晶硅锭安装在感应线圈上方，射频电磁场使硅棒下部熔化，该磁场调节硅通过感应线圈上的小孔流向下方的单晶体。单晶锭除与环境气体和已知取向的籽晶接触外，不与任何腔室部件接触，因此区熔硅晶圆的电阻率可高达1×10⁴Ω・cm。采用区熔法制造的硅晶圆非常适合用于功率半导体器件（见图9）。

图9：区熔法（FZ法）的原理示意图

为满足金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（MOSFET）等部分器件的严苛制造要求，需采用外延技术在硅晶圆抛光表面额外沉积一层薄且无缺陷的晶体层。外延材料本质上不含氧和碳，还具有诸多优势和可选特性，例如掺杂分布可控且突变、可在p型硅上生长n型硅以及在n型硅上生长p型硅等（见图10）。为沉积外延层，需将硅晶圆固定在基座上，借助红外灯加热至高温，并严格控制工艺气体流量和温度，以制备出符合规格的外延层。

图10：外延炉的结构示意图

至此，已完成从石英岩到硅晶圆的全部生产流程。根据不同的应用需求，硅晶圆可进行单面抛光或双面抛光处理。将加工完成的硅晶圆放入片盒中，再装入运输箱进行运输，一个标准片盒可容纳25片硅晶圆。运输箱外部会贴有详细的信息标签，图11为2英寸硅晶圆的运输包装和信息标签，从标签上可查看公司名称、生产日期、掺杂剂为硼（B）、类型为p型、直径范围1.985至2.015英寸、电阻率范围0.12至0.25Ω・cm、晶体取向为(111)、厚度范围0.012至0.014英寸（304.8至355.6μm），该标签为手写版本，因这些硅晶圆生产于1979年。

图11：2英寸硅晶圆的运输包装和信息标签实物图

图12为8英寸硅晶圆的运输包装和信息标签，标签为印刷版本，上面的核心信息与2英寸硅晶圆标签类似。

图12：8英寸硅晶圆的运输包装和信息标签实物图

图13为2英寸和8英寸硅晶圆的实物图，其中2英寸硅晶圆为p型（111）硅晶圆，带有主平边；8英寸硅晶圆带有切口。

图13：8英寸和2英寸硅晶圆的实物对比图

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