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。国内晶圆生产线以 8英寸和12英寸为主。 [1]
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。 [2]
- 中文名
- 晶圆 [1]
- 外文名
- Wafer [1]
- 本 质
- 硅晶片 [3]
- 性能参数
- 掺杂、载流子浓度和载流子寿命等 [4]
- 作 用
- 制作硅半导体集成电路 [4]
- 形 状
- 圆形 [3]
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。 [1]
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。 [1]
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。 [1]
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。 [4]
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。 [4]
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。 [4]
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。 [4]
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。 [4]
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。 [4]
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。 [4]
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。 [3]
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300mm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。 [3]
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。 [3]
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。 [3]
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。 [3]
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。 [3]
图2 抛光头真空吸附示意图
图3 抛光头气路图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。 [5]
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。 [5]
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。 [5]
图4
图5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。 [1]
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。 [1]
示意图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。
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。 [1]
图6
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