半导体硅片核心工艺介绍

半导体硅片生产 工序流程与光伏硅片相似。

长晶工艺：核心设备为单晶炉，主要用于将多晶硅通过拉晶形成单晶硅棒。单晶硅的 制备方法主要分为直拉法（CZ 法）和区熔法（FZ 法）两种，目前 85%以上的单晶硅采用 直拉法生产。直拉法原理为将多晶硅放置在石英坩锅中，在惰性气体环境进行加热熔融， 将单晶硅的籽晶悬浮在坩埚之上插入熔体，再缓慢旋转并向上提拉形成单晶硅。区熔法利 用热能在多晶硅棒的一端产生熔区，并熔接单晶硅的籽晶，调节温度使熔区缓慢地向单晶 棒端移动，进而形成单晶硅。单晶炉的技术难点在于控制硅片尺寸变大对热场设计（纵向 温度和径向温度梯度调整）、良率及产出效率的影响。单晶炉未来的发展方向在于通过热 屏的结构设计、工艺设计顺应大尺寸硅片需求，以及自动化程度不断提升。

切片工艺：核心设备为切片机，主要用于将单晶硅棒切割加工成为硅片。切片机技术 经历了由内圆锯切割→游离磨料砂浆切割→金刚线切割的发展历程。金刚线是采用电镀方 法将金属镍沉积在钢线基体上，并在金属镍表面附着金刚石颗粒，进而形成的线性切割工 具。切片机技术的改进提升了原材料的利用率及切割效率，并降低了切割成本。硅片大尺 寸、薄片化趋势下，切片设备的技术难点在于： 1）大尺寸硅片的碎片率比小尺寸更高； 2）薄片化硅片在生产时更加容易出现碎片、崩边、划伤、TTV、线痕、弯曲、边缘翘 曲等问题。 为满足硅片大尺寸、薄片化的需求，细线化、高线速、自动化、智能化成为了切片机 工艺的发展方向，其中细线化能够减少硅片损耗，并减少硅片表面损伤；高线速能够减少 细线切割带来的断线风险，并提升切割效率、提高设备产能；自动化与智能化能够提高切 割质量，并降低人工成本。

研磨工艺：核心设备为倒角机与研磨机，主要用于硅片边缘与表面的修整。 倒角机主要用于硅片边缘的抛光修整，以防止在硅片边缘裂缝产生机械应力及位错。 倒角机的技术难点在于对速度（磨削线速度）与精度（磨削深度、硅片边缘轮廓形状）的 控制。倒角机的技术趋势在于磨削效率、精度的提升及自动化程度的提高。 研磨机主要用于去除硅片切片时留下的损伤，以使硅片达到两面高度的平行与平整。 研磨机采用双面的机械磨片，使用垫片和带有磨料的浆料利用旋转的压力来完成。研磨机 的技术难点在于研磨过程中需避免硅片翘曲、碎片等问题。未来超精密、高效率及自动化 将成为研磨机的发展方向。

抛光工艺：核心设备为抛光机，主要用于使硅片形成高平整度的光滑表面。抛光工艺 主要采用化学机械平坦化（CMP），即通过借助机械研磨与化学腐蚀使硅片表面高度平整 光滑。CMP 由抛光液、抛光垫等组成，其中抛光垫的技术难点在于高质量聚氨酯的孔隙率 与沟槽设计及较高的试错成本；抛光液的技术难点在于配方组合的调整。未来随着芯片制 程不断先进，抛光次数将数倍增长。28nm 制程所需的 CMP 次数在 12~13 次，10nm 制程所 需的 CMP 次数将达 25~30 次。此外当技术节点达 30-20nm、甚至 14nm，钴互连技术、Fin FET（鳍式场效应晶体管）、TSV（硅通孔技术）等将成为 CMP 工艺的发展方向。

减薄工艺：核心设备为减薄机，主要用于去除硅片背面多余的衬底材料。硅片减薄能 够减小硅片体积、提高散热效果、提升器件性能。减薄机经历了由旋转台减薄（采用 CREEP-Feed 技术）→硅片自旋转减薄（采用 IN-Feed 技术）的发展历程。硅片自旋转减薄 较好地避免了旋转台减薄受力不均导致的硅片翘曲等问题。减薄工艺的技术难点在于硅片 减薄至一定程度后容易翘曲、碎片。Chiplet（将不同功能的裸芯片采用先进封装技术集成 为单芯片）与 3D 封装技术带来的芯片组厚度的增加有望催生前道环节对减薄机的需求。 自动化与集成化（减薄抛光一体机等）为减薄机的未来技术发展方向，自动化与集成化能 够降低成本、提升效率，同时自动化还可以避免减薄过程中发生崩盘、损坏等现象。