同行都知道：晶圓，它是微電子產(chǎn)業(yè)的行業(yè)術語之一，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），然后在上面用光學和化學蝕刻的方法把電路、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體封裝工廠進行封裝，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）工藝的相關內(nèi)容。

其實，半導體晶圓（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吋硅片的應用在不斷擴大。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、氧含量等關鍵參數(shù)的要求也在不斷提高，這就對晶圓的制造技術提出了更高的要求。

一、晶圓（Wafer）制備的簡述

晶圓制備設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械加工、化學處理等工序，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、引細頸、放肩、轉肩、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 預熱，再插入熔晶表面進行熔接。

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

當細頸生長至足夠長度，則通過降低拉速進行放肩。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。

當晶體生長從直徑放大到等徑生長階段，需進行轉肩。目前，采用提高拉速的快轉肩工藝。

轉肩完成后，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出電子，從而氧就會轉化為電子施主，這些電子會與硅片中的雜質(zhì)結合，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行后續(xù)的工序了，單晶直拉法工藝中的旋轉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，我們通常看到的晶圓，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行切片時，首先要把硅錠的頭尾部切除，并對尺寸進行檢測（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，需對硅錠的外徑進行修整與研磨，使其尺寸和形狀符合規(guī)范。另外，硅錠側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，一個是用來標記硅片的晶向，如<100>,<110>,<111>等；另一個作用是使硅片在半導體制造設備中能夠正確定位和對準。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、對準和檢測中發(fā)揮著至關重要的作用。

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。可以把它想象成一個指南針的指針，幫助引導晶圓在設備中的正確擺放。

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足夠滿足標識與定向功能，因此Notch的尺寸是要嚴格符合SEMI的標準的：

1、Vw代表Notch的總寬度，它的大小與硅片的直徑和厚度有關。

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的對位精度至關重要。

3、AngV，即Notch Angle，AngV是notch的夾角，是凹槽兩側邊緣之間的角度，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的應力集中情況，影響硅片的機械性能。

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，也可以對標識方式進行定制。例如，一些客戶可能要求8英寸晶圓依然使用定位邊（Flat）來滿足特定設備或工藝的需求。SEMI對wafer的標準如下：

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構,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識，尤其是在較大的晶圓（如300mm晶圓）中。通過凹槽，制造設備能夠更容易地識別晶圓的方向，避免由于晶圓的旋轉或輕微移動導致對準錯誤。

（2）避免對準錯誤

凹槽作為標志點，可以幫助自動化設備更加穩(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動，但卻是定位輪胎的一個關鍵點，確保了輪胎能夠準確安裝。

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示出其主要方向。這是因為不同晶向的硅晶體結構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）對準標志

在晶圓制造中，需要進行多個步驟的對準操作，如光刻對準、刻蝕對準等。定位邊就像是地圖上的坐標標識，幫助設備對準晶圓位置，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標準，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，而凹槽則為進一步精確定位提供了物理上的標記。兩者在大多數(shù)應用中是同時存在的，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；

2、凹槽則進一步提供了一個物理特征，幫助設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，硅晶圓晶格結構是立方體，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，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為基礎的半導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)設施。同時，<100>晶向硅晶片也具有優(yōu)異的電學特性和較低的漏磁等特點，能夠較好的適應目前集成電路的設計需求。

七、晶圓凹槽（Notch）和定位邊（Flat）在實際應用中的注意要點

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重要。如果這些特征的定位存在誤差，可能會導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，確保這些特征的準確性是非常重要的。

2、標記方式的差異

不同的晶圓供應商可能會采用不同的標記方法，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上再加上凹槽。設計這些標記時，必須考慮設備的兼容性和生產(chǎn)工藝的需求。

總結一下

總之，可別小看了晶圓上的這個“平邊”或“缺口”，這可是半導體大規(guī)模、高精度制造不可或缺的關鍵特征！如今，一些晶圓被設計成了帶有凹槽（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，但它們共同起到標示晶圓方向、保證對準精度的重要作用。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，起著更加關鍵的作用。

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審核編輯 黃宇