更新时间：2023-09-10 16:40
晶圆（Wafer），是指制作硅半导体电路所用的硅晶片，其原始材料是硅。晶圆是由高纯度的多晶硅（纯度高达99.999999999%）制成大单晶，给予正确的取向和适量的N型或P型掺杂，经过晶体生长得到硅锭，在经过研磨，抛光，切片后，形成硅晶圆片，由于形状为圆形，故称为晶圆。这种高纯硅晶片上可以加工制作出各种电路元件，使之成为有特定电性功能的IC产品。
晶圆是制造半导体芯片的基本材料，是以硅为主要原料制成的圆形薄片，具有一定的导电性和半导体特性。晶圆的制造过程非常复杂，需要经过多道工艺流程，包括晶体生长、晶圆切割、表面抛光、光刻、蚀刻等步骤。硅晶圆尺寸最大达12寸，化合物半导体晶圆尺寸最大为6英寸，8寸是常用的成熟制程晶圆。
据Siltronic统计，2020年全球前五大硅片制造商为日本信越、SUMCO、环球晶圆、SK Siltron和世创。截至2023年3月，2023年第二季度全球十大晶圆代工厂排名，由高至低分别为：台积电、三星电子、格罗方德半导体股份有限公司、联华电子、中芯国际、华虹集团、高塔半导体，力晶半导体股份有限公司、世界先进以及晶合集成。
晶圆是制造半导体芯片的基本材料，半导体集成电路最主要的原料是硅，硅在自然界中以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在于岩石、砂砾中，硅晶圆的制造可以归纳为三个基本步骤：硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆制备。
硅提纯，是将沙石原料放入一个温度约为2000℃，并且有碳源存在的电弧熔炉中，在高温下，碳和沙石中的二氧化硅进行化学反应(碳与氧结合，剩下硅)，得到纯度约为98%的纯硅，又称作冶金级硅，这对微电子器件来说其纯度不够，因半导体材料的电学特性对杂质的浓度非常敏感，因此需要对冶金级硅进一步提纯：将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢进行氯化反应，生成液态的硅烷，然后通过蒸馏和化学还原工艺，得到高纯度的多晶硅，其纯度高达99.999999999%，成为电子级硅。
单晶硅的制备方法有直拉法（CZ法）、区熔法（Fz法）和外延法，其中直拉法和区熔法用于制备单晶硅棒材。区熔硅单晶的最大需求来自于功率半导体器件。
直拉法又称为柴可拉斯基法（Czochralski），简称为CZ法。其过程相对较为简单，该种方法生产成本相对较低，且能够大量生产，可以生产出高质量、大尺寸的半导体级或太阳能级单晶硅片，因此在制备单晶硅过程中被广泛使用。
直拉法是将高纯度的多晶硅放在石英埚中，并用外面围绕着的石墨加热器不断加热，温度维持在大约1400℃，炉中的空气通常是惰性气体，使多晶硅熔化，同时又不会产生不需要的化学反应。为了形成单晶硅，还需要控制晶体的方向：坩埚带着多晶硅熔化物在旋转，把一颗籽晶浸入其中，并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转，同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。熔化的多晶硅会粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不断地生长上去。因此所生长的晶体的方向性是由籽晶所决定的，在其被拉出和冷却后就生长成了与籽晶内部晶格方向相同的单晶硅棒（也称硅单晶锭）。
区熔法，又称Fz法，即悬浮区熔法。区熔法生产单晶硅不使用坩埚，而是将硅棒局部利用线圈进行熔化，在熔区处设置磁托，因而熔区可以始终处在悬浮状态，将熔硅利用旋转籽晶进行拉制，在熔区下方制备单晶硅。该种方法优势在于，熔区为悬浮态，因而在生长过程中单晶硅不会同任何物质接触，并且蒸发效应以及杂质分凝效应较为显著，因此具有较高的纯度，其单晶硅制品性能相对较好。但由于工艺复杂，对设备以及技术要求较为严格，因此生产成本相对较高，主要被用于制作高反压元件上，如可控硅、整流器、探测器件等，其产品多应用于太空以及军工领域。
以上参考：
单晶硅棒还要经过一系列加工才能形成符合半导体芯片制造要求的半导体衬底，即晶圆，半导体单晶棒制备完成后,需要经过进一步加工制备成晶片（晶圆、基片）以达到半导体器件应用的要求。半导体晶片的制造基本步骤包括：晶片切割、化学处理、表面抛光和质量测量。
硅单晶锭在生长完成后，形状不规整，需要进一步整形以适应晶片加工的要求。首先是去两端，即把晶锭的籽晶端和与非籽晶端的不规则部分切除。去端后的晶锭可通过测试电阻确定单晶杂质均匀性。由于在晶体生长中直径和圆度的控制不可能很精确，接着通过径向研磨来控制单晶硅锭的直径。此外在晶锭整形过程中，也往往通过定位标志标明晶体结构类型与晶向。
其主要作用有两点：
1、硅棒的头尾部杂质含量与中间部分相差较大；
2、头尾直径小于中部，为了后续工艺中得到相同直径的晶圆片，必须截断。
晶锭整形完成后就是切片，单晶硅在切片时，硅片的厚度、晶向、翘曲度和平行度是关键参数，需要严格控制。晶片切片的要求是：厚度符合要求；平整度和弯曲度要小；无缺损；无裂缝；刀痕浅。单晶硅切成硅片，通常采用内圆切片机或线切片机。
内圆切片机采用高强度轧制圆环状钢板刀片，外环固定在转轮上，将刀片拉紧，环内边缘有坚硬的颗粒状金刚石。切片时，刀片高速旋转，速度达到1000～2000r/min。在冷却液的作用下，固定在石墨条上的单晶硅会向刀片做相对移动。这种切割方法，技术成熟，刀片稳定性好，硅片表面平整度较好，设备价格相对便宜，维修方便。但是由于刀片有一定的厚度，在250～300μm 左右，约有1/3 的晶体硅在切片过程中会变成锯末，所以这种切片方式下晶体硅材料的损耗很大，而且内圆切片机切片的速度较慢，效率低，切片后硅片的表面损伤较大。对于200mm左右较小直径的单晶锭，一般采用金刚石切割边缘的内圆切割机来完成其切片。
另一种切片方法是线切片，通过粘有金刚石颗粒的金属丝的运动来达到切片的目的。线切片机的使用始于1995年，一台线切片机的产量相当于35 台内圆切片机。通常线切片的金属直径仅有180μm，对于同样的晶体硅，用线切片机可以使材料损耗降低25%左右，而且线切片的应力小，切片后硅片的表面损伤较小。但是，硅片的平整度稍差，设备相对昂贵，维修困难。太阳能电池用单晶硅片对硅片平整度的要求并不高，因此，对于300mm 以上的大直径硅晶锭，一般采用线锯来切片。
切片完成后，需要进一步使用双面磨片以去除切片时损伤，并实现晶片两面的晶向平行与平整度。
磨片工艺的目的是：
1、去除硅片表面的刀疤，使硅片表面加工损伤均匀一致；
2、调节硅片厚度，使片与片之间厚度差逐渐缩小，并提高表面平整度和平行度。
在研磨晶体基片前首先要进行选片，把切割好的晶体基片按不同厚度进行分类，将厚度一样的晶体基片进行粘片，准备研磨。影响晶体基片平整度的因素包括选片、粘片和在研磨过程中磨料分布的情况以及晶体基片本身的质量。
研磨时对磨料的要求：对晶片的磨削性能好；磨料颗粒大小均匀；磨料具有一定的硬度和强度。可以用于硅片研磨的磨料材料主要有Al2O3、碳化硅、ZrO2、SiO2、碳化硼 等高硬度材料，其中以Al2O3 和SiC 应用最为普遍。目前磨料的粒径应该尽可能地均匀，实际应用的研磨剂是用粉末状磨料与矿物油配制而成的悬浮液，在使用前研磨剂应进行充分的搅拌。
研磨按照机械运动形式的不同分为：旋转式磨片法、行星式磨片法和平面磨片法等。按表面加工的特点不同又分为：单面磨片法和双面磨片法。所谓单面磨片法，就是对一面进行研磨，双面磨片法就是两面都要研磨。
行星式磨片法是最常见的方式，采用双面磨片机，有上下两块磨板，中间放置行星片，硅片就放在行星片的孔内。磨片时，磨盘不转动，内齿轮和中心齿轮转动，使行星片与磨盘之间做行星式运动，以带动硅片做行星式运动，在磨料的作用下达到研磨的目的。行星片由特殊钢、普通碳钢或锌合金加工而成。
因磨料的颗粒大小和颗粒度的均匀性，与被研磨的晶体基片表面质量有很大关系。在一定的工艺条件下，损伤层深度正比于所使用的磨料颗粒度大小，粗的磨料引起较深的损伤层，反之损伤层小，所以，磨片工序分为粗磨和精磨两道工序。
粗磨工序用于快速减薄晶体基片，精磨工序用于改善片面质量，这是因为磨料的颗粒大小对研磨效率有较大的影响，磨料颗粒度的大小与研磨速度成正比，与研磨质量成反比。研磨速度与机械的转数成正比，压力越大，研磨效率就越高，但是压力过大，容易产生碎片现象和损伤增大，研磨速度也随磨料浓度的增加而增大。因此，要得到好的研磨质量，同时又能提高生产效率，就必须选用适当的磨料、合理的压力以及合适的机器转数。
倒角是用具有特定形状的砂轮，磨去硅片边缘锋利的崩边、棱角和裂缝等。通过对硅片边缘的抛光与修整，从而使硅片边缘获得平滑的半径周线。其重要作用在于所形成的平滑边缘半径可以降低晶片边缘裂痕所导致的位错对晶片性能的影响。
对硅片倒角可使硅片边缘获得平滑的半径周线，如图4.12 所示，这一步可以在磨片之前或之后进行。在硅片边缘的裂痕和小裂缝会在硅片上产生机械应力并会产生位错，尤其是在硅片制备的高温过程中。小裂缝会在生产过程中成为有害沾污物的聚集地并产生颗粒脱落。平滑的边缘半径可以将这些影响降到最小。
倒角的目的有以下三个方面：
1、防止晶圆边缘碎裂。晶圆在制造与使用的过程中，常会受到机械手等的撞击而导致晶圆边缘破裂，形成应力集中的区域。这些应力集中的区域会使得晶圆在使用中不断地释放污染粒子，进而影响产品的成品率；
2、防止热应力的集中。晶圆在使用时，会经历高温工艺，如氧化、扩散等，当这些工艺中产生的热应力大小超过硅晶格的强度时，即会产生位错与层错缺陷，晶边磨圆可以避免该类缺陷的产生；
3、增加外延层和光刻胶层在晶圆边缘的平坦度。在外延工艺中，锐角区域的生长速度会比平面高，因此，使用没有磨圆的晶圆容易在边缘产生突起。同样，在利用旋转涂布机涂光刻胶时，光刻胶溶液也会在晶圆边缘发生堆积现象，这些不平整的边缘会影响掩模板对焦的精确性。
为了消除晶片在制备与整形过程形成的损伤与污染，一般采用化学刻蚀的方法进行表面处理，来选择性地去除表面杂质与损伤。在硅片刻蚀工艺中，一般需要采用化学腐蚀去掉表面厚度约20μm 的硅，这样才能确保去除所有损伤与污染。
抛光是硅片表面的最后一道重要加工工序，也是最精细的表面加工。抛光的目的是除去表面细微的损伤层，得到高平整度的光滑表面。
1、机械抛光法。机械抛光的原理与磨片工艺相同，但其采用的磨料颗料更细些。机械抛光的硅片一般表面平整度较高，但损伤层较深，若采用极细的磨料抛光则速度很慢。工业上一般已不采用机械抛光法；
2、化学抛光法。化学抛光常用硝酸与氢氟酸的混合腐蚀液进行。经化学抛光的硅片表面可以做到没有损伤，抛光速度也较快，但平整度相对较差，因此化学抛光一般作为抛光前的预处理，而不单独作为抛光工艺使用；
3、化学机械抛光法。是利用抛光液对硅片表面的化学腐蚀和机械研磨同时作用，兼有化学抛光和机械抛光两种抛光法的优点，是现代半导体工业中普遍采用的抛光方法。化学机械抛光法所使用的研磨液一般为胶状的二氧化硅液。
直径为200mm及更小的硅片，仅对上表面进行抛光，背面仍保留化学刻蚀后的表面，这就会在背面留下相对粗糙的表面，因此，市场销售的晶片，两面的粗糙度是不一样的，非抛光面的粗糙度往往是抛光面粗糙度的3倍，其目的是提供一个粗糙表面来方便器件传送。
直径为300mm的硅片，一般用化学机械抛光法进行双面抛光（DSP）。硅片在抛光盘之间行星式的运动轨迹在改善表面粗糙度的同时，也使硅片表面平坦且两面平行。抛光后硅片的两面会像镜子一样。
抛光加工的注意事项：
抛光后需要用原子显微镜对晶圆的表面粗糙度进行测量，表征晶圆表面粗糙度的参数有：
1、TTV（Total Thickness Variation），晶圆厚度的最大值与最小值之差，如图所示，TTV=a-b。
2、TIR（Total Indicator Reading），晶圆表面最高处与参考面之间的距离和最低处与参考面之间的距离之和，如所示，TIR=a+b。
3、FPD（Focal Plan Deviation）。晶圆表面一点距参考面的最大距离，如果a\u003eb，则FPD=a；反之，则FPD=b。
晶圆从单晶硅棒拉制完成经历了切片、研磨、抛光等加工工序，中间接触了抛光剂、研磨料等各种化学试剂，同时还受到了微粒的污染，为了制备半导体器件，半导体晶片必须通过清洗得到超净的表面，因此最后需要将这些杂质清除干净。清洗后的晶片表面可以达到几乎没有颗粒和沾污的程度。
清洗步骤：
当分子型杂质吸附在硅片表面时，硅片表面呈现疏水性，从而妨碍清除离子型和原子型杂质，因此化学清洗首先要清除这些疏水性的有机化合物。清洗这些有机杂质可用四氯化碳、三氯乙烯、甲苯、丙酮、乙醇等有机溶剂，也可采用硫酸碳化、硝酸或碱性过氧化氢洗液氧化等方法去除。
离子型和原子型吸附的杂质由于其吸附力都较强，因此一般都采用反应性试剂去除，如先用盐酸、硫酸、硝酸或碱性过氧化氢洗液以清洗掉离子型吸附杂质，然后再用王水或酸性过氧化氢清洗掉残存的离子型杂质及原子型杂质，最后用高纯水将硅片冲洗干净。
重要的硅片质量要求包括：物理尺寸、平整度、微粒粗糙度、氧含量、晶体缺陷、颗粒以及体电阻率。供应商必须通过检查硅锭和硅片的质量来控制产品质量，以达到质量参数的要求。如果把有缺陷的硅片交给半导体芯片制造厂，会造成严重的后果。
为了达到芯片生产中器件制造的要求，以及适合硅片制造厂自动传送设备的要求，硅片必须规定物理尺寸。在硅片的制备中，尺寸控制包括许多测量，例如直径、厚度、晶向位置和尺寸、定位边和硅片形变等。
平整度是硅片最主要的参数之一，主要是因为光刻工艺对局部位置的平整度是非常敏感的。硅片平整度是指在通过硅片的直线上的厚度变化。它是通过硅片的上表面和一个规定参考面的距离得到的。对一个硅片来说，如果它被完全平坦地放置，参考面在理论上就是绝对平坦的背面，比如利用真空压力把它拉到一个清洁平坦的面上，平整度可以规定为硅片上一个特定点周围的局部平整度，也可以规定为整体平整度，它是在硅片表面的固定质量面积（FQA）上整个硅片的平整度。固定质量面积不包括硅片表面周边的无用区域。测量大面积的平整度要比小面积难控制。
微粒粗糙度是实际表面同规定平面的小数值范围的偏差，它有许多小的距离很近的峰和谷，它是硅片表面纹理的标志。表面微粒粗糙度测量了硅片表面最高点和最低点的高度差别，它的单位是纳米。粗糙度的标准值用均方根来表示，它是规定平面所有测量数值的平方的平均值的平方根。硅片表面微粒粗糙度是用光学形貌分析仪测量的。对芯片制造来说，表面微粒粗糙度的控制非常重要，这是因为在器件的制造中，它对硅片上非常薄的介质层的击穿有着负面影响。
控制硅棒中的氧含量非常重要，但是随着硅棒直径尺寸的不断增大，其控制难度也越来越大。少量的氧能起到俘获中心的作用，它能束缚硅中的沾染物，然而硅棒中过量的氧会影响硅的机械特性和电学特性。例如，氧会导致PN 结漏电流的增加，也会增大MOS 器件的漏电流。 硅中的氧含量是通过横断面来检测的，即对硅晶体结构进行成分的分析。一片有代表性的硅被放在环氧材料的罐里，然后研磨并抛平使其露出固体颗粒结构，用化学腐蚀剂使要识别的特定元素发亮或发暗。样品准备好后，使用透射电镜（TEM）描述晶体的结构，目前硅片中的氧含量被控制在（24～33）ppm。
为了使各类晶体缺陷减到最少，必须对硅片加以控制。目前要求每平方厘米的晶体缺陷少于1000 个。横断面技术是一种控制晶体体内微缺陷的方法。
硅片表面颗粒的数量应该加以控制，使在芯片制造中的成品率损失降到最低。减少颗粒的主要方法是在硅工艺中尽量减少颗粒的产生，并且采用有效的清洗步骤去除颗粒。典型的硅片洁净度规范是在200mm 的硅片表面每平方厘米少于0.13 个颗粒，测量到的颗粒尺寸要大于或等于0.08μm。
硅片供应商必须仔细地包装要发货给芯片工厂的硅片。如果硅片在运输过程中发生损坏，前面的努力就会白费。硅片一般叠放在有窄槽的塑料片架上以支撑硅片。装满硅片后，片架就会放在充满氮气的密封小盒里以免在运输过程中氧化和沾污。
晶圆不仅在半导体产业中发挥着重要的作用，而且在其他领域也有广泛的应用。例如，它可以用于制造太阳能电池板、LED芯片、微机电系统(MEMS)等。在这些应用中，晶圆的制造工艺和要求也有所不同，但是它们的共同点在于需要高精度的制造技术和严格的质量控制标准。
硅晶圆尺寸最大达12寸，化合物半导体晶圆尺寸最大为6英寸。硅晶圆衬底主流尺寸为12英寸，约占全球硅晶圆产能65%，8寸也是常用的成熟制程晶圆，全球产能占比25%。GaAs衬底主流尺寸为4英寸及6英寸；碳化硅衬底主流供应尺寸为2英寸及4英寸；GaN自支撑衬底以2英寸为主。
以上参考：
晶圆不仅在半导体产业中发挥着重要的作用，而且在其他领域也有广泛的应用。例如，它可以用于制造太阳能电池板、LED芯片、微机电系统(MEMS)等。在这些应用中，晶圆的制造工艺和要求也有所不同，但是它们的共同点在于需要高精度的制造技术和严格的质量控制标准。
据Siltronic统计，2020年全球前五大硅片制造商为日本信越、SUMCO、环球晶圆、SK Siltron和世创，他们共同占据着半导体硅片市场 87%的份额。
截至2023年3月，据调研机构TrendForce 集邦咨询统计，2023年第二季度全球十大晶圆代工厂排名，由高至低分别为：台积电、三星、格芯、联电、中芯国际、华虹集团、高塔半导体，力积电、世界先进以及晶合集成，其中台积电以56.4%的市场份额继续排名第一。