同行都知道：晶圓，它是微電子產(chǎn)業(yè)的行業(yè)術(shù)語之一，英文稱作：Wafer。其中，高純度的硅（純度，99.99......，小數(shù)點后面9-11個9），一般被做成直徑6英寸，8英寸或者12英寸的圓柱形棒。

而集成電路生產(chǎn)企業(yè)把這些硅棒用激光切割成極薄的硅片（圓形），然后在上面用光學(xué)和化學(xué)蝕刻的方法把電路、電子元器件做上去，做好之后的每片硅片上有大量的一片片的半導(dǎo)體芯片（小規(guī)模電路或者三極管的話，每片上可以有3000-5000片），這些加工好的圓形硅片就是晶圓。

之后它們將被送到半導(dǎo)體封裝工廠進(jìn)行封裝，之后的成品就是我們看到的塑封集成電路或者三極管了。

所以，本章節(jié)要跟大家分享的就是半導(dǎo)體晶圓（Wafer）制備工藝流程、“晶圓凹槽（Wafer Notch）”和晶圓定位邊（wafer Flat）工藝的相關(guān)內(nèi)容。

其實，半導(dǎo)體晶圓（Wafer）的制備是從砂子變成可以在上面雕刻線路的硅片的，且是需要一個復(fù)雜而漫長的工藝過程。

晶圓主要尺寸有4吋，6吋硅片，目前對8吋，12吋硅片的應(yīng)用在不斷擴(kuò)大。這些直徑分別為100mm、150mm、200mm、300mm。硅片直徑的增大可降低單個芯片的制造成本。

但是，伴隨著硅片直徑的增大，對晶圓表面局部平整度、表面附著的微量雜質(zhì)、內(nèi)部缺陷、氧含量等關(guān)鍵參數(shù)的要求也在不斷提高，這就對晶圓的制造技術(shù)提出了更高的要求。

一、晶圓（Wafer）制備的簡述

晶圓制備設(shè)備是指將純凈的多晶硅材料制成一定直徑和長度的硅單晶棒材料，然后將硅單晶棒材料通過一系列的機(jī)械加工、化學(xué)處理等工序，制成滿足一定幾何精度要求和表面質(zhì)量要求的硅片或外延硅片，為芯片制造提供所需硅襯底的設(shè)備。

多晶硅拉制成單晶硅工藝主要分為直拉法（CZ）和區(qū)熔法(FZ)。目前，大部分半導(dǎo)體硅片采用直拉法生產(chǎn)。金屬單晶的直拉CZ 法 (Czochralski )，由切克勞爾斯基于1916年發(fā)明。單晶硅直拉法包含了熔料、熔接、引細(xì)頸、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑生長和收尾步驟，整個過程如下：

將多晶硅和摻雜劑放入石英坩堝中，通過外圍環(huán)繞的石墨加熱器，將溫度升高至1420℃以上，獲得熔融狀態(tài)的多晶硅。

待熔融多晶硅溫度穩(wěn)定一段時間后，將籽晶 （直徑約0.5 cm,長約10 cm）降下至液面3~5 mm 預(yù)熱，再插入熔晶表面進(jìn)行熔接。

轉(zhuǎn)動籽晶并緩慢向上提升，將石英坩堝反轉(zhuǎn)，采用Dash技術(shù)（無位錯單晶生長）引細(xì)縮頸消除位錯。因為當(dāng)籽晶插入熔晶時，受籽晶與熔晶的溫度差所造成的熱應(yīng)力和表面張力作用會產(chǎn)生位錯。

當(dāng)細(xì)頸生長至足夠長度，則通過降低拉速進(jìn)行放肩。目前，拉晶工藝多采用平放肩工藝（肩部夾角接近180°），減少單晶硅錠頭部的原料損失。

當(dāng)晶體生長從直徑放大到等徑生長階段，需進(jìn)行轉(zhuǎn)肩。目前，采用提高拉速的快轉(zhuǎn)肩工藝。

轉(zhuǎn)肩完成后，調(diào)整拉速和溫度，控制晶體等徑生長和維持無位錯生長狀態(tài)。

晶體等徑生長完成后，必須將晶體直徑緩慢縮小，直至接近一尖點才與熔晶液面分離。如果晶體立馬脫離熔液，熱應(yīng)力將產(chǎn)生位錯排和滑移線，收尾的作用是防止位錯反延。

講到這里，肯定會有朋友問：晶圓（Wafer）為什么會是圓的呢？因為制作工藝決定了它是圓形的。因為提純過后的高純度多晶硅是在一個子晶（seed）上旋轉(zhuǎn)生長出來的。多晶硅被融化后放入一個坩堝（Quartz Crucible）中，再將子晶放入坩堝中勻速轉(zhuǎn)動并且向上提拉，則熔融的硅會沿著子晶向長成一個圓柱體的硅錠（ingot）。這種方法就是現(xiàn)在一直在用的CZ法（Czochralski），也叫單晶直拉法。

在制造多晶硅和直拉單晶硅的過程中，單晶硅中含有氧，在一定的溫度下，單晶硅中的氧會貢獻(xiàn)出電子，從而氧就會轉(zhuǎn)化為電子施主，這些電子會與硅片中的雜質(zhì)結(jié)合，影響硅片的電阻率，因此，就有了硅錠退火的工序。

硅錠退火后，再經(jīng)過金剛線切割變成硅片，在經(jīng)過打磨等等處理后就可以進(jìn)行后續(xù)的工序了，單晶直拉法工藝中的旋轉(zhuǎn)提拉決定了硅錠的圓柱型，從而決定晶圓是圓形的。

二、晶圓凹槽（Notch）與定位邊（Flat）的介紹

前面講到，因為硅錠是圓柱型，從而決定晶圓（Wafer）是圓形的。

那為啥后來又不圓了呢？其實這個中間有個過程是跳過了的，那就是“Flat/Notch Grinning”，因為之前的文中都有講過，這里就不再贅述了。

晶圓其實不是絕對“圓”的！即使拋開加工精度，晶圓也不是圓的！

就像上圖“111”P-type晶圓一樣，我們通?？吹降木A，是有一個切口的。這個切口或是平切掉一塊，或是一個小小的缺口，只是因為功能不同，所以形狀有所不同而已，具體這是為什么呢？

因為退火后的硅錠在進(jìn)行切片時，首先要把硅錠的頭尾部切除，并對尺寸進(jìn)行檢測（確定后續(xù)加工的工藝參數(shù)）。

單晶硅錠生長過程中，外徑尺寸和圓度存在偏差，且外圓柱面也凹凸不平，需對硅錠的外徑進(jìn)行修整與研磨，使其尺寸和形狀符合規(guī)范。另外，硅錠側(cè)面會切割出一個平角或圓形小口（Flat/Notch）。8吋以下硅錠是Flat（平槽），8吋（含）以上硅錠是Notch（V槽）。Flat/Notch作用是定位及標(biāo)明晶向。如12吋晶圓規(guī)格要求凹槽（Notch） 方向為晶向 <110>±1°。

簡單來說，它在硅錠做出來后就要進(jìn)行了的，一般在200mm以下的硅錠上是切割一個平角，叫做Flat。在200mm（含）以上硅錠上，為了減少浪費，只裁剪個圓形小口，叫做凹槽（Notch）。在切片后晶圓就變成了上圖那樣的了。

1、晶圓凹槽（Notch）的概述

講到這里，大家就應(yīng)該明白了：晶圓凹槽（Notch）的Notch 是指在硅片正下方上切出的一個小的凹槽，通常呈現(xiàn)為V形或U形。凹槽（Notch）有兩個作用，一個是用來標(biāo)記硅片的晶向，如<100>,<110>,<111>等；另一個作用是使硅片在半導(dǎo)體制造設(shè)備中能夠正確定位和對準(zhǔn)。一般在8寸，12寸晶圓中才會有凹槽（Notch）。同時，這個小豁口因為太靠近邊緣而且很小，在制作Die時是注定沒有用的，這樣做可以幫助后續(xù)工序確定Wafer擺放位置，為了定位，也標(biāo)明了單晶生長的晶向。

2、晶圓定位邊（Flat）的概述

晶圓定位邊（Flat）也是晶圓制造過程中用于確定晶圓方向的重要特征，它們在晶圓的加工、對準(zhǔn)和檢測中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

晶圓定位邊（Flat）是指晶圓外緣上平直的部分，它用于標(biāo)記晶圓的特定方向，確保在晶圓的加工和處理過程中，晶圓能夠正確地對準(zhǔn)?？梢园阉胂蟪梢粋€指南針的指針，幫助引導(dǎo)晶圓在設(shè)備中的正確擺放。

三、晶圓凹槽（Notch）的尺寸要求

在之前我介紹過，4&6inch在硅錠被拉出來之后，首尾去除，再用金剛石鋸切割出Flat。同理，在8寸，12寸中，在該處使用金剛石盤或激光來制作切口。之后還要用砂輪進(jìn)行倒角處理，保證沒有毛刺等。

同時，也因為Notch相比于平邊占用的面積更小，在高度密集的集成電路制造中，可以極大地提高產(chǎn)量和降低成本。而且，作為標(biāo)識和定向，沒有必要犧牲如此大的面積做平邊，所以Notch足夠滿足標(biāo)識與定向功能，因此Notch的尺寸是要嚴(yán)格符合SEMI的標(biāo)準(zhǔn)的：

1、Vw代表Notch的總寬度，它的大小與硅片的直徑和厚度有關(guān)。

2、Vh是Notch的深度，表示凹槽從硅片邊緣到凹槽底部的垂直距離，一般范圍在1.0 -1.25mm之間，Vh對于確保Notch的對位精度至關(guān)重要。

3、AngV，即Notch Angle，AngV是notch的夾角，是凹槽兩側(cè)邊緣之間的角度，一般在89°-95°之間，這個角度對Notch的幾何形狀和定位起到?jīng)Q定性作用。

4、R1和R2分別表示notch兩側(cè)拐角的半徑。這兩個半徑?jīng)Q定了凹槽拐角的圓滑程度，影響到notch的應(yīng)力集中情況，影響硅片的機(jī)械性能。

5、Vr是notch底部的曲率半徑，表示凹槽底部的弧度大小。Vr可以改變notch的曲線形狀和平滑度，較大的Vr可以使notch底部更平緩，有助于減小應(yīng)力集中。

6、Notch Orientation，凹槽的方向與晶圓的特定晶向平行，允許有±2度的偏差。

總體來說，晶圓片的尺寸是要根據(jù)客戶需求定制的，所以雖然一般情況下8英寸及以上晶圓使用凹槽（Notch），8英寸以下晶圓使用定位邊（Flat），但根據(jù)客戶的需求，也可以對標(biāo)識方式進(jìn)行定制。例如，一些客戶可能要求8英寸晶圓依然使用定位邊（Flat）來滿足特定設(shè)備或工藝的需求。SEMI對wafer的標(biāo)準(zhǔn)如下：

四、晶圓凹槽（Notch）和定位邊（Flat）的作用

1、晶圓凹槽（Notch）的功能與作用

晶圓凹槽是晶圓外緣上一個小的切口或缺口。這個凹槽與定位邊類似，也具有標(biāo)示晶圓方向的作用，但它的形狀和作用有所不同。通常，凹槽是一個物理上的缺口，而定位邊是平直的。

簡單來說就是：小晶圓切平角，大晶圓切小口。當(dāng)晶圓尺寸越來越大的時候，如果還是切下一個平角，就會造成較大浪費。

所以才會有了上文中講到的：在200mm以下的硅錠上是切割一個平角，叫做Flat，在200mm（含）以上硅錠上，為了減少浪費，只裁剪個U型或V型小口，叫做Notch的說法了。

國標(biāo)規(guī)定Notch 槽(V 形槽)深度為 1mm 角度為 90°是種具有一定角度和深度的凹型結(jié)構(gòu),因此無法直接測量 Notch 槽晶向。可以通過利用X射線測試與其垂直位置的晶向偏離度來表征 Notch 槽的晶向偏離度。

（1）精確定位

凹槽通常用于提供更為精確的方向標(biāo)識，尤其是在較大的晶圓（如300mm晶圓）中。通過凹槽，制造設(shè)備能夠更容易地識別晶圓的方向，避免由于晶圓的旋轉(zhuǎn)或輕微移動導(dǎo)致對準(zhǔn)錯誤。

（2）避免對準(zhǔn)錯誤

凹槽作為標(biāo)志點，可以幫助自動化設(shè)備更加穩(wěn)定地在整個加工過程中保持晶圓的方向一致。它減少了人為錯誤，并提升了生產(chǎn)效率。

（3）實例比喻

你可以把凹槽比作汽車輪胎的氣門嘴位置，它雖然不影響輪胎的轉(zhuǎn)動，但卻是定位輪胎的一個關(guān)鍵點，確保了輪胎能夠準(zhǔn)確安裝。

2、晶圓定位邊（Flat）的功能與作用

（1）方向指示

定位邊通常會顯示晶圓的特定晶面方向。例如，對于P型<100>晶向的硅晶圓，定位邊就可以幫助標(biāo)示出其主要方向。這是因為不同晶向的硅晶體結(jié)構(gòu)在物理和電性特性上有所不同，而晶圓定位邊的作用就是確保在晶圓加工時，晶體方向得到正確識別。

（2）對準(zhǔn)標(biāo)志

在晶圓制造中，需要進(jìn)行多個步驟的對準(zhǔn)操作，如光刻對準(zhǔn)、刻蝕對準(zhǔn)等。定位邊就像是地圖上的坐標(biāo)標(biāo)識，幫助設(shè)備對準(zhǔn)晶圓位置，確保加工精度。

（3）信息識別

還可用于識別Wafer基本信息的晶體方向和類型，晶圓上的切口數(shù)量及位置，代表了晶圓的“晶向”及“摻雜類型”。如，根據(jù)使用最廣泛的SEMI標(biāo)準(zhǔn)，它通過初級和次級平面形成的角度來區(qū)分晶圓：

二次切平區(qū)與主要切平區(qū)成180° ：n 型 <100>

二次切平區(qū)與主要切平區(qū)成90°：P 型 <100>

二次切平區(qū)與主要切平區(qū)成45° ：n 型 <111>

無二次平面：p 型 <111>

（4）實例比喻

可以把晶圓的定位邊比作一個拼圖中的指示線，告訴我們應(yīng)該如何正確地拼接各個部件。沒有這些指示線，我們可能就無法正確地將拼圖完成。

五、晶圓凹槽（Notch）和定位邊（Flat）的關(guān)系

晶圓定位邊（Flat）和晶圓凹槽（Notch）在晶圓制造過程中是互為補充的。定位邊為晶圓提供了一個大致的方向指示，而凹槽則為進(jìn)一步精確定位提供了物理上的標(biāo)記。兩者在大多數(shù)應(yīng)用中是同時存在的，尤其是在大尺寸晶圓（如300mm晶圓）中。

在晶圓加工中的協(xié)作作用：

1、定位邊幫助確定晶圓的大致方向，確保晶圓的初步對準(zhǔn)；

2、凹槽則進(jìn)一步提供了一個物理特征，幫助設(shè)備更加精確地識別方向，確保整個制造過程中的精度。

這里還要講一個題外話，那就是：硅錠切割時為什么要區(qū)分晶向呢？

六、硅錠區(qū)分晶向的原因

首先，硅晶圓晶格結(jié)構(gòu)是立方體，具有四個等效的 <100> 方向和兩個等效的 <110> 方向（就是說，雖然是同一種物質(zhì)，特性卻完全不一樣，可以理解為同樣用磚頭蓋房子，磚塊不同的交錯排列方式，會導(dǎo)致墻體特性完全不一樣）。

其次就是，硅晶圓的電子遷移率與其晶向有關(guān)，晶向不同，電子遷移率也不同。

1、<110> 晶向的原子排列相對緊密，電子在該方向上移動時，會遇到比較少的阻礙，因此電子遷移率高。

2、<100> 晶向的原子排列比較寬松，電子在該方向上移動時，會受到許多阻礙，所以電子遷移率較低。

除此之外，有些特殊應(yīng)用需要采用其他方向的硅晶圓，如加速器用硅晶圓采用<111>晶向，以獲得更好的性能。

直觀來看，不同晶向硅片在碎裂時，碎裂形態(tài)差異非常之大。

目前以CMOS為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體工藝一般使用的是<100>晶向的硅晶圓。因為在生產(chǎn)過程中切割成<100>晶向硅晶片的成本較低，且該晶向的硅晶片已經(jīng)有較為成熟的制造工藝和生產(chǎn)設(shè)施。同時，<100>晶向硅晶片也具有優(yōu)異的電學(xué)特性和較低的漏磁等特點，能夠較好的適應(yīng)目前集成電路的設(shè)計需求。

七、晶圓凹槽（Notch）和定位邊（Flat）在實際應(yīng)用中的注意要點

1、生產(chǎn)過程中的影響

定位邊和凹槽的精度對整個晶圓的加工精度至關(guān)重要。如果這些特征的定位存在誤差，可能會導(dǎo)致整個晶圓的電性特性不穩(wěn)定，影響最終芯片的性能。因此，在生產(chǎn)過程中，確保這些特征的準(zhǔn)確性是非常重要的。

2、標(biāo)記方式的差異

不同的晶圓供應(yīng)商可能會采用不同的標(biāo)記方法，比如有些晶圓可能只有定位邊，沒有凹槽；而有些則可能在定位邊的基礎(chǔ)上再加上凹槽。設(shè)計這些標(biāo)記時，必須考慮設(shè)備的兼容性和生產(chǎn)工藝的需求。

總結(jié)一下

總之，可別小看了晶圓上的這個“平邊”或“缺口”，這可是半導(dǎo)體大規(guī)模、高精度制造不可或缺的關(guān)鍵特征！如今，一些晶圓被設(shè)計成了帶有凹槽（Notch）的形狀。與帶有定位區(qū)（Flat Zone）的晶圓相比，帶有凹槽（Notch）的晶圓能夠制造更多的晶粒，從而提高了生產(chǎn)效率。

晶圓凹槽（Notch）和晶圓定位邊（Flat）雖然在外觀上有所不同，但它們共同起到標(biāo)示晶圓方向、保證對準(zhǔn)精度的重要作用。定位邊（Flat）類似于一條指南針，幫助我們確定大致方向；而凹槽（Notch）則是一個更為精準(zhǔn)的物理特征，幫助確保在制造過程中的方向一致性。這兩者是現(xiàn)代晶圓制造中不可或缺的特征，尤其在大尺寸晶圓的生產(chǎn)中，起著更加關(guān)鍵的作用。

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審核編輯 黃宇