晶圓
晶圓是指製作硅半導體積體電路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高純度的多晶硅溶解後摻入硅晶體晶種，然後慢慢拉出，形成圓柱形的單晶硅。硅晶棒在經過研磨，拋光，切片後，形成硅晶圓片，也就是晶圓。目前國內晶圓生產線以 8英寸和 12 英寸為主。 晶圓的主要加工方式為片加工和批加工，即同時加工1 片或多片晶圓。隨着半導體特徵尺寸越來越小，加工及測量設備越來越先進，使得晶圓加工出現了新的數據特點。同時，特徵尺寸的減小，使得晶圓加工時，空氣中的顆粒數對晶圓加工後質量及可靠性的影響增大，而隨着潔淨的提高，顆粒數也出現了新的數據特點。 [1]
| 中文名 | 晶圓 | 性能參數 | 摻雜、載流子濃度和載流子壽命等 |
| 外文名 | Wafer | 作 用 | 製作硅半導體集成電路 |
| 本 質 | 硅晶片 | 形 狀 | 圓形 |
目錄
製作流程
常見的 200mm CMOS 芯片的晶圓製造過程。
化學氣相沉積是在製造微電子器件時被用來沉積出某種薄膜的技術，這種薄膜可能是介電材料或者半導體。物理氣相沉積技術則是使用惰性氣體，撞擊濺鍍靶材，在晶圓表面沉積出所需的材質。製程反應室內的高溫和真空環境可以使這些金屬原子結成晶粒，在經過圖案化（patterned）和蝕刻，得到所需的導電電路。
光學顯影是將光罩上的圖形轉換到薄膜上。光學顯影一般包括光阻塗布、烘烤、光照對準、曝光和顯影等步驟。乾式蝕刻是目前最常用的蝕刻方式，其以氣體為主要的蝕刻媒介，由電漿來驅動反應。蝕刻是將表面某種不需要的材質部分移除。
化學機械研磨（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是既有機械研磨又有酸鹼溶液式的化學研磨兩種相結合的技術，可以使晶圓表面較為平坦，方便後面工序。在進行研磨時，研磨漿在晶圓和研磨墊之間。影響 CMP 的因素有：研磨頭的壓力和晶圓平坦度，旋轉速度，研磨漿的化學成分等等。
性能參數
硅晶圓和硅太陽能電池分別是半導體材料和半導體器件的典型代表。半導體特性參數衡量和表徵材料及其器件的性能。由於載流子是半導體材料及器件的功能載體，載流子移動形成電流及電場，同時載流子具有發光、熱輻射等特性，因此載流子參數是表徵半導體材料及器件載流子輸運特性的基礎，即載流子參數是硅晶圓和硅太陽能電池特性參數的重要組成部分。當硅晶圓經過加工、製造形成硅太陽能電池後，由於 pn 結和費米能級的差異，導致載流子分離形成電壓，進而有飽和電流、填充因子和光電轉化效率等電性能參數直觀反映並影響太陽能電池伏安特性。綜上分析，硅晶圓的主要特性參數包括載流子參數。
載流子分為多數載流子和少數載流子，包括電子和空穴。載流子擴散和漂移形成電流構成半導體器件傳遞信息的基礎。載流子輸運參數是描述載流子運動和濃度的基本參數，主要包括載流子壽命、擴散係數及前、後表面複合速率等。這些參數直接反映了半導體材料的物理特性和電學性能，影響載流子濃度、遷移率；摻雜濃度是決定載流子濃度另一重要參數，影響材料電阻率和載流子壽命等參數，決定器件性能。
載流子濃度 多數半導體器件為少數載流子器件，如硅太陽能電池。本文後續提到的載流子參數均為少數載流子參數。半導體在熱平衡狀態下，空穴和電子濃度相等，此時為穩態；當受到外部激勵（光、電、熱等能量激勵）時，半導體處於非平衡狀態，電子和空穴均增加，形成過剩載流子。載流子壽命（lifetime），是指過剩載流子平均存在時間，載流子濃度滿足指數衰減規律。
載流子壽命 載流子壽命根據載流子複合類型可分為輻射複合壽命、俄歇複合壽命以及Shockley-Read-Hal（SRH）複合壽命。載流子壽命是反映材料和器件缺陷濃度的重要參數，也是衡量器件開關速度、電流增益、電壓等特性的重要指標，同時對半導體激光器、光電探測器以及太陽能電池等光電子器件的電光和光電轉化效率起到重要作用。
表面複合速率 載流子既在材料體內發生複合也在表面發生複合。表面複合壽命或表面複合速率（Surface recombination velocity，s）是描述載流子在表面複合快慢的物理量。表面複合壽命越大說明表面複合速率越低，反之，表面複合速率越高。表面粗糙度、表面懸掛鍵等表面物理性質和狀態是影響表面複合速率的關鍵。表面複合速率是表徵材料的表面質量的重要性能參數。
有效壽命 載流子有效壽命是將體壽命和表面複合壽命綜合的參數，是特定樣件載流子整體壽命的表徵。目前大多數檢測技術檢測的載流子壽命為載流子有效壽命，無法將體壽命和表面複合速率分離，因此很難逐一分析表面處理工藝、體內缺陷和摻雜等過程對硅晶圓和太陽能電池性能的影響。
擴散係數 擴散係數（Diffusion coefficient，D）是表徵在單位時間單位面積上，載流子通過界面快慢的物理量。擴散係數和載流子壽命共同決定載流子擴散長度（Diffusion length），擴散長度是評價材料性能的典型參數，載流子擴散長度越長材料質量越好；對於太陽能電池來說，載流子擴散長度越長載流子分離和收集效率越好、光電轉化效率越高。
摻雜 摻雜是形成功能半導體的必要環節，摻雜濃度對電阻率和載流子輸運參數有着重要影響。本徵半導體，即不摻雜半導體，常溫時電阻率非常高，隨着摻雜濃度增加，電阻率降低，載流子壽命和擴散長度逐漸降低。
重點製造過程
拋光過程 隨着集成電路(Integrated circuit,IC)製造技術的不斷發展，芯片特徵尺寸越來越小，互連層數越來越多，晶圓直徑也不斷增大。要實現多層布線，晶圓表面必須具有極高的平整度、光滑度和潔淨度，而化學機械拋光(Chemical mechanical polishing, CMP)是目前最有效的晶圓平坦化技術，它與光刻、刻蝕、離子注入、PVD / CVD 一起被稱為 IC 製造最核心的五大關鍵技術。
CMP 裝備主要由拋光頭、拋光盤、修整器、拋光液輸送系統等部分組成，而拋光頭及其壓力控制系統是其中最關鍵、最複雜的部件，是 CMP 技術實現納米級平坦化的基礎和核心。目前國外最先進的 300 mm 晶圓拋光頭採用氣壓方式加載，具有分區壓力、真空吸附、浮動保持環及自適應等功能，十分複雜。隨着特徵尺寸不斷減小和晶圓直徑不斷增加，對 CMP 表面質量的要求也越來越高，傳統的單區壓力拋光頭已無法滿足要求。如果拋光頭能夠將晶圓分成多個區域進行加載，通過改變施加壓力的大小就可以控制不同區域的材料去除率。當前國際上高端300 mm晶圓CMP 裝備的拋光頭通常具有三個壓力分區。此外，在 45 nm 技術節點及以下，目前的 CMP 裝備(拋光壓力>6.985 kPa)極易造成 Low-k 材料的斷裂、劃傷以及 Low-k 介質/銅界面剝離等問題，超低壓力 CMP(<3.448 kPa)將是未來 CMP 裝備和技術的主要發展方向。
在 CMP 過程中拋光頭主要起以下作用：①對晶圓施加壓力；② 帶動晶圓旋轉並傳遞轉矩；③ 保證晶圓與拋光墊始終貼合良好，不掉片、碎片。此外，在高端 CMP 裝備中拋光頭最好能在不藉助外界條件的情況下依靠自身結構夾持晶圓，以提高生產效率。
分區壓力拋光頭是衡量 CMP 裝備技術水平高低的重要因素。其核心思想來自 Preston 模型，根據該模型。根據 CHEN 等的研究，拋光頭的分區數量越多，對材料去除率的調節能力越強。但分區數量越多意味着其結構更複雜、研發難度更大。拋光頭各區尺寸劃分並無具體要求，即可等分，又可根據拋光頭的內部實際結構進行劃分。 為防止晶圓在旋轉過程中被甩出，拋光頭必須具有保持環結構。在 CMP 技術的發展歷程中出現過兩種保持環：固定保持環和浮動保持環。由於固定保持環無法避免邊緣效應，目前的主流 CMP 裝備均採用了浮動保持環，通過對浮動保持環施加不同的壓力可以調節晶圓與拋光墊的接觸狀態，從而有效改善邊緣效應。
由於保持環與拋光墊緊密貼合，必須在保持環底部設計一系列溝槽以引導拋光液順利進入晶圓/拋光墊界面。此外，為提高壽命，保持環需選擇高強度、耐腐蝕、耐磨損的聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide, PPS) 或 聚 醚 醚 酮 (Polyetheretherketone, PEEK)等材料。
前面提到拋光頭很重要的一個功能是夾持晶圓，實現晶圓在裝卸工位與拋光工位之間的快速、可靠傳輸。在 CMP 技術的發展歷程中出現過機械夾持、石蠟粘接、真空吸盤等多種夾持方式，但以上方式在效率、可靠性、潔淨度等方面已無法滿足高端 CMP 裝備的要求。 多區拋光頭採用真空吸附方法夾持晶圓，基本原理如右圖所示。首先對多區氣囊施加正壓，將氣囊與晶圓之間的空氣擠出，然後利用氣囊不同分區的正、負壓組合控制，在氣囊和晶圓之間形成負壓區，將晶圓牢固地吸附在拋光頭上。該方法充分利用了拋光頭自身的多區氣囊結構，具有快速、可靠、無污染等優點。
壓力控制系統通過氣壓方式對拋光頭進行壓力控制，其主要功能有：① 對晶圓和保持環進行壓力加載；② 對拋光頭抽負壓以夾持晶圓；③ 檢測各腔室是否漏氣。 多區拋光頭的壓力控制原理如右圖所示。拋光頭氣路的主要元件有氣源、減壓閥、電氣比例閥、真空發生器、真空調壓閥、兩位三通閥、兩位兩通閥以及壓力傳感器等。拋光頭共有五個壓力腔室(Z1～Z5)，每個腔室都具有施加正壓、抽負壓、通大氣和泄漏檢測等功能，其中正壓採用全閉環控制。
分層劃片過程 硅片劃片方法主要有金剛石砂輪劃片、激光劃片。激光劃片是利用高能激光束聚焦產生的高溫使照射局部範圍內的硅材料瞬間氣化，完成硅片分離，但高溫會使切縫周圍產生熱應力，導致硅片邊緣崩裂，且只適合薄晶圓的劃片。超薄金剛石砂輪劃片，由於劃切產生的切削力小，且劃切成本低，是目前應用最廣泛的劃片工藝。 由於硅片的脆硬特性，劃片過程容易產生崩邊、微裂紋、分層等缺陷，直接影響硅片的機械性能。同時，由於硅片硬度高、韌性低、導熱係數低，劃片過程產生的摩擦熱難於快速傳導出去，易造成刀片中的金剛石顆粒碳化及熱破裂，使刀具磨損嚴重，嚴重影響劃切質量。
國內外學者對硅片劃片技術做了大量的研究。張紅春等通過建立振動量與劃切工藝參數之間的回歸方程，採用遺傳學算法得出對應小振動量下的最佳工藝參數，並通過試驗驗證了最佳工藝參數組合可以有效降低主軸振動量，得到更好的劃切效果。李振材等研究發現採用超聲振動輔助劃片產生的鋸切力比無超聲輔助的單晶硅劃片產生的鋸切力小，並通過硅片劃片試驗驗證了超聲振動降低鋸切力可以抑制硅片的崩邊。日本 Disco 公司針對 low-K 介質硅晶圓難以使用普通金剛石刀片進行劃切加工的問題，開發一種激光開槽加工工藝，即先在劃切道內開2 條細槽，再使用刀片在兩條細槽之間實施全劃片加工，通過該項工藝能夠提高生產效率，減小崩邊、分層等不良因素造成的質量缺陷。復旦大學陸雄等採用先激光開槽後機械刀片劃片工藝劃切 low-k 介質硅晶圓材料，相比於直接刀片劃片，芯片結構完整且無金屬層脫落、翻起現象，但工藝過程繁瑣，劃片成本高。Yu Zhang 等發現通過提高刀片旋轉過程的阻尼比，一定程度上可降低刀具高速旋轉過程中的振動現象，從而提高開槽性能，減小崩邊尺寸，但是沒有進行深入研究。
單次劃片，即一次完全劃切硅片，劃片深度到UV 膜厚度 1/2 的位置，如右圖所示。該方法工藝過程簡單，適合超薄材料劃片，但在劃片過程中刀具磨損嚴重，劃片刀邊緣易產生崩邊、微裂紋，切縫邊緣表面形貌差。 分層劃片工藝，如右圖所示。根據劃片材料的厚度，在劃片深度方向採用分層進給的方式進行劃片。首先進行開槽劃片，採用比較小的進給深度，以保證刀具受力小，降低刀具磨損，減小劃片刀崩邊，然後再劃片到 UV 膜厚度 1/2 的位置。
檢測技術
半導體工業對於晶圓表面缺陷檢測的要求，一般是要求高效準確，能夠捕捉有效缺陷，實現實時檢測。較為普遍的表面檢測技術主要可以分為兩大類：針接觸法和非接觸法，接觸法以針觸法為代表；非接觸法又可以分為原子力法和光學法。在具體使用時，又可以分為成像的和非成像的。
針觸法顧名思義是通過觸針與被檢材料的接觸來進行檢測，是製造業中比較早的表面檢測方法。被測表面的形狀輪廓信息是通過觸針傳遞給傳感器的，所以觸針的大小和形狀就顯得尤其重要。按照針觸法的檢測原理，針尖的半徑趨近於 0才有可能檢測到被測物真實的輪廓。但是觸針的針尖越細，被測表面產生的壓力也會越大，觸針容易受到磨損，劃傷被測物表面。對於鍍膜表層和軟質金屬，接觸式檢測容易損傷被測樣品表層，一般是不可使用的。 1981 年 Binnig 和 Rohrer 等發明了掃描隧道顯微鏡(STM)。STM 的利用量子隧道效應，針尖和被測物體表面作為兩極。用極細的針尖去接近樣品表面，當距離很近的時候，形成隧道結。針尖與樣品表面的距離保持恆定，使針尖在樣品的表面進行三維運動，將針尖感覺到的原子高度傳入計算機中，經過後期處理就得到被測物品表面的三維形貌。 由於 STM 的使用有其局限性，Binnig 等人在 STM 基礎上又研製了原子力顯微鏡(AFM)。AFM 檢測針尖和試件之間的吸引或排斥力，所以可用於導體和非導體材料。
掃描近場光學顯微鏡(SNOM)是利用被測樣品表面附近近光場的特性，來探測其表面形貌。其分辨率可遠遠超過常規顯微鏡分辨率的限制(λ/2)。
目前半導體工業中常用的成像檢測方法主要包括自動光學檢測、X 射線檢測、電子束檢測等。掃描電子顯微鏡(SEM)是 1965 年發明的顯微物體研究工具。SEM是用電子束去掃描樣品，造成樣品的二次電子發射，二次電子能夠產生樣品表面放大的形貌像。這種圖像是逐點成像放大，有一定的順序。SEM 的優點是分辨率極高。 X 射線無損檢測技術與數字圖像處理技術相結合，可以對器件內部連線進行高分辨率檢測。安捷倫的市場占有率較高，典型產品有 5DX 系統。
自動光學檢測(AOI)技術是一種基於光學原理的檢測技術，它通過精密儀器平台的運動、圖像採集裝置結合數字圖像處理技術，對樣品表面的缺陷進行檢測，優點是檢測速度較快。AOI 設備是近幾年在國內發展比較迅速，算得上比較有市場潛力。AOI 技術是通過 CCD 或 CMOS 傳感器獲得圖像，模數轉換後傳入計算機，經過數字圖像處理，將其與標準圖像進行對比。
晶圓的缺陷和成因
晶圓分為無圖案晶圓（Bare Wafer）和圖案晶圓（Patterned wafer），如右圖所示。考慮兩種晶圓的缺陷類型的出發點有些不同。晶圓表面的缺陷類型很多，既有可能是工藝產生也有可能材質本身的缺陷。採用不同的缺陷檢測方式，可能會對缺陷進行不同的劃分。綜合考慮缺陷的物理屬性和後面缺陷檢測算法的針對性，缺陷可以簡單地分為表面冗餘物（顆粒，污染物等），晶體缺陷（滑移線缺陷，堆垛層錯），劃痕，圖案缺陷（針對圖案晶圓）。
晶圓表面冗餘物 晶圓表面的冗餘物種類比較多，小到幾十納米的微小顆粒，大到幾百微米的灰塵，以及前一個工序留下的表面殘留物。顆粒是可能引入的工序有刻蝕、拋光、清洗等。冗餘物缺陷主要來自於生產加工中晶圓表面的灰塵、空氣純淨度未到達標準以及加工過程中化學試劑等。這些顆粒在光刻時會遮擋光線，造成集成電路結構上的缺陷，污染物可能會附着在晶圓表面，造成圖案的不完整，影響芯片的電氣特性，如右圖所示。
晶體缺陷 滑移線缺陷是也是一種常見的缺陷，它是由晶體生長時的加熱不均造成的，他通常在晶圓的外圍邊緣處，形成一條條水平的細小直線。由於滑移線的尺寸相對比較大，可以通過人工觀測的形式辨認。如右圖所示。 堆垛層錯(Stacking Fault)也是可以在外延層中發現的缺陷，一般是由於晶體結構中密排面的正常堆垛順序遭到了破壞，其尺寸通常在微米級別。如右圖所示。
機械損傷 機械損傷一般指晶圓表面因為拋光或者切片造成的劃痕，一般是由化學機械研磨（CMP）造成的，成弧狀，也有可能是非連續點狀分布，如右圖所示。這種損傷有大有小，通常會影響晶圓電路的連通性，是比較嚴重地缺陷。這種缺陷是可以糾正的，有可能是機械的操作不當。