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一、拋光與切片

拉制出的硅單晶錠并非完美的圓形，直徑分布也不均勻，必須經過一系列加工才能達到設計的形狀和尺寸。通常，拉制出的硅單晶錠尺寸會特意設計得偏大，經研磨去除多余部分后，最終得到符合要求的圓柱形和直徑。

圖1：硅單晶錠的研磨過程示意圖

硅晶圓的尺寸從20世紀60年代的25mm（1英寸）逐步發展到2001年的300mm（12英寸）。1英寸至6英寸（150mm）的硅晶圓通過平邊（分為主平邊和副平邊）標識晶體取向，平邊還可用于光刻工藝中的對準操作（后續章節詳細介紹）。當硅晶圓尺寸達到8英寸（200mm）及以上時，會用小切口（notch）替代平邊（見圖2）。此外，也存在沒有平邊或切口的硅晶圓。

圖2：硅晶圓上平邊和切口的位置及標識示意圖

圖2中出現的{100}和{111}，指的是硅晶體的晶面和晶向，具體可參考圖硅晶格示意圖。在坐標系中，硅晶體主要分為三個晶面：(100)、(110)和(111)。(100)指僅與X軸相交的平面；(110)指與X軸和Y軸相交的平面；(111)指與X軸、Y軸和Z軸相交的平面（見圖3）。

圖3：硅晶體的晶面示意圖

用于表示晶面的整數100、110和111稱為密勒指數，這一命名是為了紀念英國科學家威廉?哈洛威?密勒（William Hallowes Miller，1801—1880），他奠定了現代晶體學的基礎。

符號{100} 包含(100)、(-100)、(010)、(0-10)、(001)和(00-1)等晶面；{110}和{111}的含義類似。與晶面相對應，[100]、[110]和[111]用于表示晶軸，<100>代表[100]、[-100]、[010]、[0-10]、[001]和[00-1]六個方向；<110>和<111>的含義相同。在固體物理中，硅的晶格結構屬于金剛石四面體結構，半導體材料中還有其他類型的晶格結構，這里暫不討論。

硅單晶錠研磨完成后，需進行切片處理，常用的切片工具包括線鋸和內圓鋸（ID鋸）。圖4為多線鋸機的示意圖，該技術可一次性將完整的硅單晶錠切成數百片硅晶圓。硅單晶錠切片成硅晶圓后，還需依次進行邊緣倒角、激光打標、研磨、拋光和清洗等后續步驟。

圖4：多線鋸機的結構示意圖

切片后的硅晶圓邊緣不夠光滑，在搬運過程中可能會產生崩邊等機械損傷；在光刻工藝的光刻膠涂覆步驟中，粗糙的邊緣會導致光刻膠在邊緣堆積，即邊緣珠（edge bead）現象，造成薄膜厚度不均勻。邊緣倒角的核心目的就是避免這些問題（見圖5）。

圖5：邊緣倒角機的結構示意圖

激光打標的作用是在硅晶圓正面靠近主平邊或切口的位置，制作字母數字或條形碼標識。根據半導體設備和材料協會（SEMI）標準M1.8，激光打標需包含18個字符，用于標識硅晶圓制造商、導電類型、電阻率、平整度、硅晶圓編號和器件類型，以便對單張硅晶圓或硅晶圓批次進行生產追溯（見圖6）。

圖6：硅晶圓邊緣標識的含義說明（a）標識包含制造商、電阻率、摻雜劑等關鍵信息；（b）硅晶圓上標識的實物圖。

研磨和拋光過程結合了化學蝕刻和機械拋光，因此該過程被稱為化學機械拋光（CMP）。設備的基本結構如圖7所示?；瘜W機械拋光完成后，需對硅晶圓進行濕法蝕刻和清洗，以去除表面的機械損傷和拋光漿料。蝕刻主要通過化學反應去除硅晶圓表面的部分薄層：若蝕刻在液體蝕刻劑中進行，稱為濕法蝕刻；若在氣態化學物質中進行，則稱為干法蝕刻，本步驟采用濕法蝕刻。

圖7：硅晶圓化學機械拋光（CMP）設備的結構示意圖

對于硅晶圓而言，RCA清洗是一套標準清洗（SC）步驟。該清洗方法于1965年由美國無線電公司（RCA）的工程師沃納?克恩（Werner Kern）開發。圖8為RCA清洗流程圖，其中硫酸/過氧化氫（H?SO?/H?O?）溶液是半導體工藝中常用的清洗液。

圖8：RCA清洗的詳細流程示意圖

直拉法是生產用于一般半導體器件制造的硅晶圓（稱為直拉硅晶圓）最經濟的方法，但它存在一個主要問題：由于單晶錠是從石英坩堝中拉制而成，硅中總會存在一定的氧污染。為避免這種污染，已采用石墨坩堝，但這會導致硅中產生碳雜質。因此，采用直拉法難以獲得電阻率大于100Ω?cm的硅晶圓。

更高純度的硅可通過區熔法（FZ）制備：將圓柱形多晶硅錠安裝在感應線圈上方，射頻電磁場使硅棒下部熔化，該磁場調節硅通過感應線圈上的小孔流向下方的單晶體。單晶錠除與環境氣體和已知取向的籽晶接觸外，不與任何腔室部件接觸，因此區熔硅晶圓的電阻率可高達1×10?Ω?cm。采用區熔法制造的硅晶圓非常適合用于功率半導體器件（見圖9）。

圖9：區熔法（FZ法）的原理示意圖

為滿足金屬 - 氧化物 - 半導體場效應晶體管（MOSFET）等部分器件的嚴苛制造要求，需采用外延技術在硅晶圓拋光表面額外沉積一層薄且無缺陷的晶體層。外延材料本質上不含氧和碳，還具有諸多優勢和可選特性，例如摻雜分布可控且突變、可在p型硅上生長n型硅以及在n型硅上生長p型硅等（見圖10）。為沉積外延層，需將硅晶圓固定在基座上，借助紅外燈加熱至高溫，并嚴格控制工藝氣體流量和溫度，以制備出符合規格的外延層。

圖10：外延爐的結構示意圖

至此，已完成從石英巖到硅晶圓的全部生產流程。根據不同的應用需求，硅晶圓可進行單面拋光或雙面拋光處理。將加工完成的硅晶圓放入片盒中，再裝入運輸箱進行運輸，一個標準片盒可容納25片硅晶圓。運輸箱外部會貼有詳細的信息標簽，圖11為2英寸硅晶圓的運輸包裝和信息標簽，從標簽上可查看公司名稱、生產日期、摻雜劑為硼（B）、類型為p型、直徑范圍1.985至2.015英寸、電阻率范圍0.12至0.25Ω?cm、晶體取向為(111)、厚度范圍0.012至0.014英寸（304.8至355.6μm），該標簽為手寫版本，因這些硅晶圓生產于1979年。

圖11：2英寸硅晶圓的運輸包裝和信息標簽實物圖

圖12為8英寸硅晶圓的運輸包裝和信息標簽，標簽為印刷版本，上面的核心信息與2英寸硅晶圓標簽類似。

圖12：8英寸硅晶圓的運輸包裝和信息標簽實物圖

圖13為2英寸和8英寸硅晶圓的實物圖，其中2英寸硅晶圓為p型（111）硅晶圓，帶有主平邊；8英寸硅晶圓帶有切口。

圖13：8英寸和2英寸硅晶圓的實物對比圖

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