半导体硅片生产工艺流程及工艺注意要点模板.doc

硅片生产工艺步骤及注意关键点
介绍
硅片准备过程从硅单晶棒开始，到清洁抛光片结束，以能够在绝好环境中使用。期间，从一单晶硅棒到加工成数片能满足特殊要求硅片要经过很多步骤和清洗步骤。除了有很多工艺步骤之外，整个过程几乎全部要在无尘环境中进行。硅片加工从一相对较脏环境开始，最终在10级净空房内完成。

工艺过程综述
硅片加工过程包含很多步骤。全部步骤概括为三个关键种类：能修正物理性能如尺寸、形状、平整度、或部分体材料性能；能降低不期望表面损伤数量；或能消除表面沾污和颗粒。硅片加工关键步骤如表1.1经典步骤所表示。工艺步骤次序是很关键，因为这些步骤决定能使硅片受到尽可能少损伤而且能够降低硅片沾污。在以下章节中，每一步骤全部会得到具体介绍。

表1.1 硅片加工过程步骤
1. 切片
2. 激光标识
3. 倒角
4. 磨片
5. 腐蚀
6. 背损伤
7. 边缘镜面抛光
8. 预热清洗
9. 抵御稳定——退火
10. 背封
11. 粘片
12. 抛光
13. 检验前清洗
14. 外观检验
15. 金属清洗
16. 擦片
17. 激光检验
18. 包装/货运

切片（class 500k）
硅片加工介绍中，从单晶硅棒开始第一个步骤就是切片。这一步骤关键是怎样在将单晶硅棒加工成硅片时尽可能地降低损耗，也就是要求将单晶棒尽可能多地加工成有用硅片。为了尽可能得到最好硅片，硅片要求有最小量翘曲和最少许刀缝损耗。切片过程定义了平整度能够基础上适合器件制备。
切片过程中有两种关键方法——内圆切割和线切割。这两种形式切割方法被应用原因是它们能将材料损失降低到最小，对硅片损伤也最小，而且许可硅片翘曲也是最小。
切片是一个相对较脏过程，能够描述为一个研磨过程，这一过程会产生大量颗粒和大量很浅表面损伤。
硅片切割完成后，所粘碳板和用来粘碳板粘结剂必需从硅片上清除。在这清除和清洗过程中，很关键一点就是保持硅片次序，因为这时它们还没有被标识区分。

激光标识(Class 500k)
在晶棒被切割成一片片硅片以后，硅片会被用激光刻上标识。一台高功率激光打印机用来在硅片表面刻上标识。硅片按从晶棒切割下相同次序进行编码，所以能知道硅片正确位置。这一编码应是统一，用来识别硅片并知道它起源。编码能表明该硅片从哪一单晶棒什么位置切割下来。保持这么追溯是很关键，因为单晶整体特征会伴随晶棒一头到另一头而改变。编号需刻足够深，从而到最终硅片抛光完成后仍能保持。在硅片上刻下编码后，即使硅片有遗漏，也能追溯到原来位置，而且假如趋向明了，那么就能够采取正确方法。激光标识能够在硅片正面也可在后面，尽管正面通常会被用到。

倒角
当切片完成后，硅片有比较尖利边缘，就需要进行倒角从而形成子弹式光滑边缘。倒角后硅片边缘有低中心应力，所以使之更牢靠。这个硅片边缘强化，能使之在以后硅片加工过程中，降低硅片碎裂程度。图1.1举例说明了切片、激光标识和倒角过程。

图1.1

磨片（Class 500k）
接下来步骤是为了清除切片过程及激光标识时产生不一样损伤，这是磨片过程中要完成。在磨片时，硅片被放置在载体上，并围绕放置在部分磨盘上。硅片两侧全部能和磨盘接触，从而使硅片两侧能同时研磨到。磨盘是铸铁制，边缘锯齿状。上磨盘上有一系列洞，可让研磨砂分布在硅片上，并随磨片机运动。磨片可将切片造成严重损伤清除，只留下部分均衡浅显伤痕；磨片第二个好处是经磨片以后，硅片很平整，因为磨盘是极其平整。
磨片过程关键是一个机械过程，磨盘压迫硅片表面研磨砂。研磨砂是由将氧化铝溶液延缓煅烧后形成细小颗粒组成，它能将硅外层研磨去。被研磨去外层深度要比切片造成损伤深度更深。

腐蚀（Class 100k）
磨片以后，硅片表面还有一定量均衡损伤，要将这些损伤去除，但尽可能低引发附加损伤。比较有特色就是用化学方法。有两种基础腐蚀方法：碱腐蚀和酸腐蚀。两种方法全部被应用于溶解硅片表面损伤部分。

背损伤（Class 100k）
在硅片后面进行机械损伤是为了形成金属吸杂中心。当硅片达成一定温度时?，如Fe, Ni, Cr, Zn等会降低载流子寿命金属原子就会在硅体内运动。当这些原子在硅片后面碰到损伤点，它们就会被诱陷并本能地从内部移动到损伤点。背损伤引入经典是经过冲击或磨损。举例来说，冲击方法用喷砂法，磨损则用刷子在硅片表面磨擦。其它部分损伤方法还有：淀积一层多晶硅和产生一化学生长层。

边缘抛光
硅片边缘抛光目标是为了去除在硅片边缘残留腐蚀坑。当硅片边缘变得光滑，硅片边缘应力也会变得均匀。应力均匀分布，使硅片更坚固。抛光后边缘能将颗粒灰尘吸附降到最低。硅片边缘抛光方法类似于硅片表面抛光。硅片由一真空吸头吸住，以一定角度在一旋转桶内旋转且不妨碍桶垂直旋转。该桶有一抛光衬垫并有砂浆流过，用一化学/机械抛光法将硅片边缘腐蚀坑清除。另一个方法是只对硅片边缘进行酸腐蚀。
图1.2举例说明了上述四个步骤：

图1.2

预热清洗（Class 1k）
在硅片进入抵御稳定前，需要清洁，将有机物及金属沾污清除，假如有金属残留在硅片表面，当进入抵御稳定过程，温度升高时，会进入硅体内。这里清洗过程是将硅片浸没在能清除有机物和氧化物清洗液（H2SO4+H2O2）中，很多金属会以氧化物形式溶解入化学清洗液中；然后，用氢氟酸（HF）将硅片表面氧化层溶解以清除污物。

抵御稳定——退火（Class 1k）
硅片在CZ炉内高浓度氧气氛里生长。因为绝大部分氧是惰性，然而仍有少数氧会形成小基团。这些基团会饰演n-施主角色，就会使硅片电阻率测试不正确。要预防这一问题发生，硅片必需首先加热到650℃左右。这一高温度会使氧形成大基团而不会影响电阻率。然后对硅片进行急冷，以阻碍小氧基团形成。这一过程能够有效消除氧作为n-施主特征，并使真正电阻率稳定下来。

背封（Class 10k）
对于重掺硅片来说，会经过一个高温阶段，在硅片后面淀积一层薄膜，能阻止掺杂剂向外扩散。这一层就如同密封剂一样预防掺杂剂逃逸。通常有三种薄膜被用来作为背封材料：二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、多晶硅。假如氧化物或氮化物用来背封，能够严格地认为是一密封剂，而假如采取多晶硅，除了关键作为密封剂外，还起到了外部吸杂作用。
图1.3举例说明了预热清洗、抵御稳定和背封步骤。

图1.3 预热清洗、阻抗稳定和背封示意图

粘片（Class 10k）在硅片进入抛光之前，先要进行粘片。粘片必需确保硅片能抛光平整。有两种关键粘片方法，即蜡粘片或模板粘片。
顾名思义，蜡粘片用一固体松香蜡和硅片粘合，并提供一个极其平参考表面？。这一表面为抛光提供了一个固体参考平面。粘蜡能预防当硅片在一侧面载体下抛光时硅片移动。蜡粘片只对单面抛光硅片有用。
另一方法就是模板粘片，有两种不一样变异。一个只适适用于单面抛光，用这种方法，硅片被固定在一圆模板上，再放置在软衬垫上。这一衬垫能提供足够摩擦力所以在抛光时，硅片边缘不会完全支撑到侧面载体，硅片就不是硬接触，而是“漂浮”在物体上。当正面进行抛光时，单面粘片保护了硅片后面。另一个方法适适用于双面抛光。用这种方法，放置硅片模板上下两侧全部是敞开，通常两面全部敞开模板称为载体。这种方法能够许可在一台机器上进行抛光时，两面能同时进行，操作类似于磨片机。硅片两个抛光衬垫放置在相反方向，这么硅片被推向一个方向顶部时和相反方向底部，产生应力会相互抵消。这就有利于预防硅片被推向坚硬载体而造成硅片边缘遭到损坏。？除了很多加载在硅片边缘负荷，当硅片随载体运转时，边缘不大可能会被损坏。

抛光（Class ≤1k）
硅片抛光目标是得到一很光滑、平整、无任何损伤硅表面。抛光过程类似于磨片过程，只是过程基础不一样。磨片时，硅片进行是机械研磨；而在抛光时，是一个化学/机械过程。这个在操作原理上不一样是造成抛光能比磨片得到更光滑表面原因。
抛光时，用特制抛光衬垫和特殊抛光砂对硅片进行化学/机械抛光。硅片抛光面是旋转，在一定压力下，并经覆盖在衬垫上研磨砂。抛光砂由硅胶和一特殊高pH值化学试剂组成。这种高pH化学试剂能氧化硅片表面，又以机械方法用含有硅胶抛光砂将氧化层从表面磨去。
硅片通常要经多步抛光。第一步是粗抛，用较硬衬垫，抛光砂更易和之反应，而且比后面抛光中用到砂中有更多粗糙硅胶颗粒。第一步是为了清除腐蚀斑和部分机械损伤。在接下来抛光中，用软衬、含较少化学试剂和细硅胶颗粒抛光砂。清除剩下损伤和薄雾最终抛光称为精抛。
粘片和抛光过程图1.4所表示：

图1.4 粘片和抛光示意图

检验前清洗（class 10）
硅片抛光后，表面有大量沾污物，绝大部分是来自于抛光过程颗粒。抛光过程是一个化学/机械过程，集中了大量颗粒。为了能对硅片进行检验，需进行清洗以除去大部分颗粒。经过这次清洗，硅片清洁度仍不能满足用户要求，但能对其进行检验了。
通常清洗方法是在抛光后用RCA SC-1清洗液。有时用SC-1清洗时，同时还用磁超声清洗能更为有效。另一方法是先用H2SO4/H2O2，再用HF清洗。相比之下，这种方法更能有效清除金属沾污。

检验
经过抛光、清洗以后，就能够进行检验了。在检验过程中，电阻率、翘曲度、总厚度超差和平整度等全部要测试。全部这些测量参数全部要用无接触方法测试，所以抛光面才不会受到损伤。在这点上，硅片必需最终满足用户尺寸性能要求，不然就会被淘汰。

金属物去除清洗
硅片检验完后，就要进行最终清洗以清除剩下在硅片表面全部颗粒。关键沾污物是检验前清洗后仍留在硅片表面金属离子。这些金属离子来自于各不一样用到金属和硅片接触加工过程，如切片、磨片。部分金属离子甚至来自于前面多个清洗过程中用到化学试剂。所以，最终清洗关键是为了清除残留在硅片表面金属离子。这么做原因是金属离子能造成少数载流子寿命，从而会使器件性能降低。SC-1标准清洗液对清除金属离子不是很有效。所以，要用不一样清洗液，如HCl，必需用到。

擦片
在用HCl清洗完硅片后，可能还会在表面吸附部分颗粒。部分制造商选择PVA制刷子来清除这些残留颗粒。在擦洗过程中，纯水或氨水（NH4OH）应流经硅片表面以带走沾附颗粒。用PVA擦片是清除颗粒有效手段。

激光检验
硅片最终清洗完成后，就需要检验表面颗粒和表面缺点。激光检验仪能探测到表面颗粒和缺点。因为激光是短波中高强度波源。激光在硅片表面反射。假如表面没有任何问题，光打到硅片表面就会以相同角度反射。然而，假如光打到颗粒上或打到粗糙平面上，光就不会以相同角度反射。反射光会向各个方向传输并能在不一样角度被探测到。

包装/货运
尽管如此，可能还没有考虑很周到，硅片包装是很关键。包装目标是为硅片提供一个无尘环境，并使硅片在运输时不受到任何损伤；包装还能够预防硅片受潮。假如一片好硅片被放置在一容器内，并让它受到污染，它污染程度会和在硅片加工过程中任何阶段一样严重，甚至认为这是更严重问题，因为在硅片生产过程中，伴随每一步骤完成，硅片价值也在不停上升。理想包装是既能提供清洁环境，又能控制保留和运输时小环境整齐。经典运输用容器是用聚丙烯、聚乙烯或部分其它塑料材料制成。这些塑料应不会释放任何气体而且是无尘，如此硅片表面才不会被污染。最终六个步骤图1.5所表示。

图1.5 检验前清洗、外观检验、金属离子去除清洗、擦片、激光检验和包装/货运示意图

硅片制备阶段问题
在硅片制造过程中，包含到很多参数。而且这些参数中有很多会因最终硅片目标不一样而发生改变。对硅片来说，有部分参数一直是很关键，如平整度、缺点、沾污等。在下面章节中将具体讨论。
当硅片被不正确运行刀片所切割时，就会造成弯曲刀口。这些刀口全部不会相同，这就使硅片有不一样种类平面缺点。能以最好方法使硅片得到平整表面是很关键，所以应以尽可能平面去切割硅片。
有不一样测量方法来测试硅片平整度。部分测量方法给出了圆形或说是整个硅片平整度而另部分方法只显示出局部硅片平整度。整个平整度对于设计样品时是很关键，？从其次说，局部平整度对于？设计是很关键，？部分整体平整度测试术语是弯曲度（bow）、翘曲度（warp）、总厚度超差（TTV）、总指示读数（TIR）和焦平面背离（FPD）。局部平整度测试术语也和其一致。

Bow
硅片弯曲度是测量硅片弯曲程度，它是和硅片中心从一经过靠近硅片边缘三个基点建立平面背离程度。弯曲度测试是一个较老测试手段，不常常使用。因为弯曲度测试只能测试和中心背离，其它方法也就对应产生了。实际上，硅片背离会发生在硅片任一位置，而且能产生很多问题。在最近时间里，S型弯曲或翘曲测试被真正采取。这种变形有比弯曲更复杂形状。

Warp
硅片形状变形另一测试方法是翘曲度测试。翘曲度是测量硅片确定多个参考面中心线位置最高点和最低点之最大差值。硅片翘曲度起决于使用一对无接触扫描探针。硅片被放置在三个形成参考平面支点上，这对探针中一支能够在硅片一侧任意位置，而另一支则在另一侧对应位置。探针按设定程序，沿硅片表面移动，测量到硅片表面指定点距离。一旦全部距离全部已测得，翘曲程度也就知道了。测定翘曲度，第一步就是找到顶部探针和顶部硅片表面距离（a）和对应底部探针和底部硅片表面距离（b）。换句话说，就得到了b-a全部测量点。有了这些数据，将b-a最大值减去b-a最小值，再除以2就是Warp值（图1.6所表示）。

图1.6 翘曲度（Warp）和总厚度偏差（TTV）测量示意图

硅片翘曲度和半导体制造相关，因为一片翘曲硅片在光刻过程中可能会引发麻烦；还可能在部分加工过程中粘片时也有问题。小量翘曲在部分加工过程中能够经过真空吸盘或夹具得到赔偿。

TTV
一个检测硅片厚度一致性方法，叫总厚度超差（TTV），就是指硅片厚度最大值和最小值之差。测量TTV可在测量Warp时同时进行。Warp中类似探针和数据处理方法能够为TTV所采取。实际上，不一样仅仅是计算公式。在计算TTV时，第一步是将顶部探针和顶部硅片表面距离（a）和对应底部探针和底部硅片表面距离（b）相加，这里，我们要是相加（a+b），TTV就是将a+b最大值减去a+b最小值。

TIR
总指示读数是一个只和硅片正面相关参数。测量方法是将和真空吸盘平行吸住一面作为参考平面，TIR就是正面最高处和最凹处差值。（见图1.7）

图1.7 总指示读数（TIR）和焦平面偏离（FPD）测量示意图

FPD
焦平面偏离（FPD）是指硅片上距焦平面最高处和最深处到焦平面距离中远一个。有时这个平面是参考硅片后面或是一个假想平面。这一测量值表明了？
迄今为止，所讨论全部平整度测试方法全部是指整体测试。换句话说，全部测试方法全部是表现硅片整体表面情况。这些方法中大部分也能够测试局部情况。差异仅在于测试时所覆盖区域是整体还是局部。通常，区域选择尺寸同经典电路芯片相同。举个例子，局部测试硅片平整度称为局部厚度超差（LTV），LTV几乎和TTV相同，区分仅在于前者只对应硅片小区域范围。

污染
硅片表面污染是一个关键关注问题。硅片生产过程从相对较脏切片开始到最终进入一净空房结束，硅片要暴露在大量不一样化学品和溶液中，而且硅片还要被放入很多不一样机器进行机械加工，全部这些接触全部会造成颗粒沾污。另两个关键污染是金属和有机物。金属因硅片经过很多机器加工，金属和硅片表面直接接触而被留在硅片表面；有机物则可能来自于任何物体上油脂或油。在硅片最终被发往用户前，全部污染全部必需被清除。
安全
同其它制造环境一样，在设备每一位置，全部有其特殊安全要求。在半导体制造硅片生产阶段，很多安全问题很类似于在一装备完好设备商店，有高速度刀片和全部手工滚磨设备。硅片生产中很多过程是机械导向，所以，这些有操作危险过程必需有一定安全程序。
除了这些显而易见机械危险外，还有化学方面危险。硅片生产要用到很多危险化学药品，如在敞开式硅片清洗中用到HF和KOH。这些化学品使用象水一样频繁，而且轻易被灌输一个错误安全观念。所以，当在进行和这些化学品相关工作时，必需确定出全部正确安全方针。
其它还有包含到多种不一样辐射安全问题。在切片区域，有X-ray源；激光扫描区域，有激光辐射可能会引发潜在火灾，甚至使人失明。在这些区域，全部应穿着合适防护服，并应谨慎操作以防发生安全问题。

术语表
弯曲度（bow）
硅片弯曲度是指硅片中心和一经过靠近硅片边缘三个基点建立平面背离程度。弯曲度是对整个硅片而言。

10级（class10）
通常指环境清洁度时，10级是指每立方英尺空气中0.5μm大小颗粒不超出10个，而且更大颗粒数更少。这是一个很洁净环境。

硅胶
硅胶是一个悬浮硅土颗粒，细小到无法分辨出各个颗粒，也无法从悬浮液中分离出来。

微切伤
微切伤是由刀片颤动而引发，它是刀片在行进过程中细微背离，而在硅片上沿着切口留下细小脊状损伤。
外吸杂
外吸杂是一个适用在硅片后面吸杂方法。

焦平面背离（FPD）
焦平面背离测试能说明离硅片正面上任何点焦平面最远距离。FPD能衡量整个硅片正表面。

吸杂
吸杂是一个诱使金属杂质远离硅片正面方法。通常经过在晶体结构中造成高应力区域来实现。有两种不一样吸杂方法：外吸杂和内吸杂。

雾化
雾化是硅片出现雾气一个条件。可能由硅片任何沾污或损伤而引发。

平均载流子寿命？
平均载流子寿命是指在硅体内多数载流子平均复合时间。
Piranha 
Piranha是一个清洗液，由硫酸（H2SO4）和双氧水（H2O2）组成。之所以起这个名字是因为当上述两种化学品混合时，溶液温度会达成120℃左右并猛烈沸腾。

总指示读数（TIR）
总指示读数是硅片正面上距设定参考面最高处和最凹处距离。TIR能表明整个硅片正面情况。

总厚度超差（TTV）
总厚度超差（TTV）是指硅片最厚处和最薄处差值。TTV也是对整个硅片测试。

翘曲度（warp）
翘曲度（warp）是指离硅片中心线最高和最低差值，是整个硅片测试。

习题
1、 硅片生产关键目标是为了生产---（ ）
a. 无损伤硅片
b. 清洁、平整、无损伤硅片
c. ？
d. 有粗糙纹理硅片

2、 一个经典工艺步骤是---（ ）
a. 切片、磨片、抛光、检验
b. 切片、抛光、磨片、检验
c. 磨片、切片、抛光、检验
d. 抛光、切片、磨片、检验

3、 磨片目标是---（ ）
a. 提供一个高度抛光表面
b. 探测硅片表面缺点或沾污
c. 硅片抵御稳定
d. 清除切片过程造成深度损伤

4、 抛光过程是一个---（ ）
a. 一个化学/机械过程
b. 一个严格化学过程
c. 一个严格机械过程
d. 其它类型过程

5、 退火（抵御稳定）过程为消除______抵御影响---（ ）
a. piranha清洗液（H2SO4+H2O2）
b. silox？
c. 金属
d. 氧

6、 哪一个平整度测试能说明硅片厚度一致性---（ ）
a. TTV（总厚度超差）
b. TIR（总指示读数）
c. 翘曲度
d. FPD（焦平面背离）

切片
目标
1、 当将晶棒加工成硅片时，能确定切片加工特征；
2、 描述切片时所用碳板作用；
3、 知道内圆切片和线切割机优点和缺点；
4、 硅片进行标识目标；
5、 硅片边缘？原因；
6、 描述硅片边缘？经典方法。

介绍
本章关键讨论多个切片工艺和它们特征，对硅片激光扫描，及硅片边缘contour。

切片综述
当单晶硅棒送至硅片生产区域时，已经准备好进行切割了。晶棒已经过了头尾切除、滚磨、参考面磨制过程，直接粘上碳板，再和切块粘接就能进行切片加工了。
为了能切割下单个硅片，晶棒必需以某种方法进行切割。在进行内圆切片工场内，切片可能会引用很多标准。切片过程有部分要求：能按晶体一特定方向进行切割；切割面尽可能平整；引入硅片损伤尽可能少；材料损失尽可能少。为了满足切片这些要求，部分特殊切片方法产生了。在下面章节中将讨论多个切片特殊方法和相关工艺。

碳板
当硅片从晶棒上切割下来时，需要有某样东西能预防硅片松散地掉落下来。有代表性是用碳板和晶棒经过环氧粘合在一起从而使硅片从晶棒上切割下来后，仍粘在碳板上。很多情况下，碳板经修正、打滑、磨平后，在材料准备区域进行粘接。
碳板不是粘接板唯一选择，任何种类粘接板和环氧结合剂全部必需有以下多个特征：能支持硅片，预防其在切片过程中掉落并能轻易地从粘板和环氧上剥离；还能保护硅片不受污染。其它粘板材料还有陶瓷和环氧。
图2.1说明了碳板和晶棒粘接。

图2.1 粘棒示意图

石墨是一个用来支撑硅片坚硬材料，它被做成和晶棒粘接部位一致形状。大多数情况下，碳板应严格地沿着晶棒参考面粘接，这么碳板就能加工成矩形长条。当然，碳板也能够和晶棒其它部位粘接，但一样应和该部位形状一致。碳板形状很关键，因为它要求能在碳板和晶棒间使用尽可能少环氧和尽可能短距离。这个距离要求尽可能短，因为环氧是一个相当软材料而碳板和晶棒是很硬材料。当刀片从硬材料切到软材料再到硬材料，可能会引发硅片碎裂。
碳板不仅在切片时为硅片提供支持，而且也在刀片切完硅片后行经提供了材料，保护了刀片。
这里有部分选择环氧类型参考：强度、移动性和污染程度。粘接碳板和晶棒环氧应有足够强粘度，才能支持硅片直到整根晶棒切割完成。要找到这么环氧并非难事，但还要考虑到污染程度，所以，它必需能很轻易地从硅片上移走，只有最小量污染。通常地，环氧能很轻易在热乙酸溶液中溶解，或用其它方法处理。全部这些方法，全部应对硅片造成尽可能低污染。

刀片
当从晶棒上切割下硅片时，期望切面平整、损伤小、沿特定方向切割而且损失材料尽可能小。任何不能满足这些最低标准切割方法全部不能被采取。有一个速度快、安全可靠、经济切割方法是很值得。
当进行切片时，刀片所切下处或边缘处材料全部会损失，所以，更期望是一个低损失量切片方法。这种损失量称为刀片损失。刀片损失是指材料损失总量，因为这个损失是因为刀片在开槽时移动而造成。假如在切片过程中损失更少量，那就意味着从同根晶棒上能切下更多硅片，也就是降低了每一硅片成本。
在半导体企业，通常只有多个切割方法被采取。两种通常被应用方法是环型切割和线切割。环型切割通常是指内圆切割，是将晶棒切割为硅片最广泛采取方法。

内圆切割
内圆切割正如它名字一样，切割位置在刀片表面。刀片是由不锈钢制成大而薄圆环。刀片内侧边缘镀有带钻石颗粒镍层。这一钻石-镍镀层提供了用来切割晶棒表面，（见图2.2）。对于150mm硅片，每刀用时3分钟。

图2.2

内圆刀片组成和厚度
对一经典内圆刀片，其中心部位由约0.005英寸不锈钢制成，镍-钻石涂层是不锈钢刀片边缘两侧约0.003英寸。内圆刀片内侧边缘总厚度约为0.0125英寸。这么，材料损失厚度略大于刀片最厚度，大约在0.013英寸左右。
镍-钻石涂层厚度是内圆刀片一个关键参数。很显著，这一厚度越小，刀片损失也就越少。不过，假如涂层太薄话，刀片切下路径太窄，刀片可能会有更大潜在可能冲击边缘，假如刀片发生任何偏差而撞击到边缘，硅片就会受到损伤，在接下来步骤中就需要去除更多材料。所以，有一个最适宜镍-钻石涂层能得到最低材料损失。
不管金属污染，不锈钢因为它特征而被作为内圆刀片普遍采取关键材料。不锈钢有高延展性能许可刀片有很大张力，这种强张力能使刀片绷很紧很直，从而在切割时能保持刀片平直。钢另一个有利之处就是它很耐用。这种经久耐用性，能额外使用同一刀片而不需更换，从而使硅片生产成本降低。这是很关键因为更换一把刀片需耗时1.5小时左右。
记住在切片时使用了不锈钢也很关键，因为硅片会带有大量金属离子。在硅片进行高温热处理之前，必需将金属从表面清除。不然，任何高温过程全部会使金属离子扩散进硅片而不易清除了。

内圆刀片
用内圆刀片来切割晶棒原因是它有低刀片损失，内圆刀片在开始塑性变形后，被张紧在鼓上。？这已超出了不锈钢伸展点，为了能充足说明这个条件，要先介绍多个术语。压力是描述单位能承受重量；张力是指改变后长度和原始长度之比。通常见压力-张力曲线来表示材料特征。图2.3所表示，能够得到材料伸展点和最终延展强度。伸展点是指材料在这一点上停止了按施加在其身上力百分比伸展。从所画图上能够看出，压力-张力曲线最终成了线性关系。当压力超出一定数值时，材料就开始快速伸展而增加压力很小。材料没有完全失效所能承受最大压力称为最终延展强度。在压力-张力曲线上，它处于最高点，这点以后，假如材料再承受任何一点压力全部会造成材料断裂。

图2.3

图2.3为内圆刀片张紧时经典压力-张力曲线。当刀片伸展至塑变区域后，就变得很刚直了。这就使不锈钢刀片有一中心厚度约0.006英寸左右，要达成一样程度，外圆刀片厚度是它十倍多。厚度为0.0125英寸内圆刀片，每切一刀，就损失一片硅片50%厚度。假如刀片有其十倍厚，那么每切一刀，硅片500%厚度全部损失了。这就造成硅片数量降低为原来1/4（见图2.4）。硅片数量降低直接造成其成本显著上升。

图2.4

内圆刀片切片运动类似于一个研磨形式。研磨剂（钻石）混合在镍金属内，钻石是很硬物质，能刮去任何其它物质表面，还有两种相近硬度材料见莫氏硬度等级。

莫氏硬度等级
莫氏等级是在18代晚期，由Friedrich Mohs发展起来。她等级图是依据一个材料切割其它材料而得出。在这等级图上，任何硬度高材料全部能切割硬度比它低材料。这一等级图范围从扑面粉—最软材料之一，到钻石—最硬材料全部包含在内了。图2.5列出了十种元素/化合物按硬度次序排列莫氏原始等级图。硅和石英有相近硬度。从图上可看出，钻石能切割硅。

图2.5

当钻石涂覆在内圆刀片上切割晶棒时，它是在研磨硅材料。含钻石研磨层在硅体内不停地研磨，造成硅微观断裂而产生细微碎片。当刀片经过材料时，部分碎片也被带出来了。这个不停摩擦过程，产生热和很多颗粒。一个润滑/冷却溶液，通常如水或水容性润滑剂，用来清除相切位置颗粒。这种液体能控制硅沫并使温度下降。

内圆切片尺寸
切割硅片需要内圆刀片尺寸是很大，如对于200mm硅片，刀片外圆直径约在32英寸左右。这么大尺寸是为了使内径足够大，从而能将粘有碳板晶棒全部能经过。另外，刀片本身也必需能够切割晶棒任何位置而不会使晶棒碰到刀片外侧张紧圈。内径也相对较大，因为有了大洞，刀片才能变得更硬。
对于相同尺寸晶棒，有一个措施能减小刀片尺寸，就是在切割前将晶棒滚圆。这个安排有利之处于于内圆切片时，只要经过晶棒二分之一旅程，所以，不需要如此大直径。问题是，这种方法在切片时，要不引发硅片中心？很困难。另一问题是它会造成碎裂并使硅片中心产生缺点。伴随晶棒直径增大，内圆切片变得越来越不实用。

切片损伤
当切片机在切割晶棒时，会引发很多损伤。这些损伤来自于切片过程切磨形式。这一过程会造成硅片产生很多细微破裂和裂纹，这种损伤层平均厚度约为25-30μm。这么损伤存在于刀片和晶棒接触任何地方。因为切片接触是硅片表面，所以硅片表面存在着很多这么损伤，这就意味着在接下来过程中必需清除掉这些损伤，硅片才会有用。
假如刀片有任何振动，损伤层就会更深，有时候甚至是平均厚度2-3倍。为了预防损伤层延伸扩展，必需小心仔细地操作，尽可能消除刀片振动。有些损伤假如很深话，在磨片以后仍能在硅片上看到。
刀片偏转
硅片弯曲和厚度偏差关键根源在切片过程。影响硅片形状最关键原因是切片过程中刀片偏转。假如刀片在切片时发生振动，那么很有可能在刀片所在一侧损伤层会比另一侧更深。不一样是，因刀片振动引发损伤称为切片微分损伤。
在切片过程中，刀片偏转监测器能提供刀片偏转实时监测。刀片偏转监测器安装尽可能靠近于切片区域。这个位置通常靠近刀片内圆处，并靠近刀片切入晶棒入口或刀片退出时出口（图2.6所表示）。监测器是经过刀片处产生旋涡来测试。刀片偏转监测器输出和反馈回路相关，当监测器探测到偏离时，这个回路能自动纠正路径偏离。在这个系统中，有一力量能纠正刀片偏差。这个系统使硅片切片时，有更少翘曲度。

图2.6
在内圆切片时，刀片偏离关键原因是对于刀片切片速率而言，刀片进给太快了。通常内圆刀片进给速度是5cm/min。另一原因可能是钻石变脏了或脱离了镍涂层。当刀片因为脏而开始出现偏差时，就应进行修刀了。
修刀过程是使刀片涂层暴露出新、锐利钻石。修刀通常是将碳化硅或氧化铝研磨棒切片来完成。研磨棒能将镍钻涂层外层磨去从而显露出新尖锐钻石。要检验修刀是否成功，唯一方法就是再进行硅棒切割。尽管修刀能生产新尖利表面，但除非必需，不然不大进行，因为每一次修刀全部会降低刀片寿命并增加机器待工时间。

问题
在切片过程中，常常会发生部分问题：硅片晶向错误，过分切片损伤，刀片偏离，刀片失灵和碎片。
刀片失灵有多个：刀片变形、镍-钻涂层瓦解、刀片断裂。常常发生问题是刀片变形。内圆刀片变形可能因在张紧时错误方法或在试图快速经过晶棒时刀片进给速度太快。其它刀片变形发生可能因不锈钢刀片承受力太大造成刀片延展。刀片假如过分变形后，就不能保持笔直经过晶棒。这是因为刀片在切片时会发生抖动。刀片失灵造成最关键问题是引发硅片断裂和大量表面损伤。
碎片（刀片退出时）
不管任何方法，当刀片切割某种材料立即完成时，刀片在材料底部时，可能会引发材料碎裂，这种现象称为exit chip。碎片发生是因为在切割最终阶段，在材料小区域中存在高局部应力。当连续施加相同大小压力在越来越薄材料上，材料就无法再承受这么压力。这片材料就开始断裂，材料碎片就会松散。这些碎片尺寸相对较大，使硅片缺损，这么硅片就不能使用了。图2.7列举了碎片发生。

图2.7

最小程度（碎片）
有两种方法预防碎片发生，一个方法是在最终阶段，减小刀片施加在硅片上压力。在最终，能够经过降低刀片进给速率来减小压力。另一个方法是在晶棒外侧位置贴上几片材料，使切割完成。外表面额外材料增加提供载体有利于切片完成。这么就降低了硅片较薄边缘压力，硅片也不会碎裂了。
有一预防碎片系统可供选择，能够消除任何碎片发生。就是使晶棒直径生长稍大一点，那么在切片时，即使发生碎片，滚磨去碎裂处，仍有足够材料。这种方法应用使晶棒直径大1.3mm左右。切片以后，多出材料就会被磨去。有了足够材料，那么全部碎片发生几乎全部能包含在内了。
应指出是，碎片大多发生在(100)晶向硅片上，原因是（100）硅片，切割垂直于（110）和其它（100）晶面。沿着（110）晶面切割很轻易引发硅片碎裂。所以，在切割（100）向硅片时，硅片有沿（110）晶面发生碎裂趋向。
在（111）向硅片上，（111）面是和硅片面相平行。单晶硅裂纹大多沿着（111）面。所以，任何裂纹发生平行于切片方向而不会引发碎片。
除了内圆切割外，还有线切割。尽管线切割已使用了多个世纪，但被应用到半导体厂家仅仅在最近20年内。它们最初需要昂贵投资，但因在切片损失上降低能使其很快收回成本。
线切割使用研磨砂浆来切割晶棒，砂浆贴附在接触并进入晶棒钢线上，钢线会产生压力压迫研磨剂和晶棒接触，这么在砂浆和晶棒间压力接触使材料被磨去。
线切割基础结构很简单，一根小直径钢线绕在多个导轮上使钢线形成梯形形状。导轮上有凹槽能确保钢线以一定距离分隔开。一根连续钢线集中绕导轮一个个凹槽上，形成很多相同间隔切割表面。线之间空间决定了想要硅片厚度。钢线移动由线轴控制，因为整个系统只有一根钢线。线两端分别绕在线轴上，晶棒慢慢向上（或向下）移动，穿过钢线，钢线能从晶棒上同时切割下很多硅片。图2.8是线切割简单示意图。如150mm硅片，整根晶棒切割完成只需约5-8小时。

图2.8
经典线切割机使用钢线直径约在0.006英寸。这么小尺寸所造成切片损失只有0.008英寸。单根线通常有100km长，绕在两个线轴上。如此长钢线应用使线单个区域每次全部不会和砂浆及晶棒接触很长时间。这种和砂浆接触时间降低有利于延长钢线寿命。而且，长钢线意味着在一个方向上进给能维持相当长时间而不需要转换方向经过反向绕线回来。
在部分系统中，钢线进给在这次是一个方向，然后方向可翻转，然后再翻转。？举例来说，钢线向前走了约30秒，然后反向走25秒，然后再向前，如此反复。这么就使钢线经过系统时间延长，或刚在一个方向经过系统，反过来又要经过了。
经典钢线进给速度在10m/s（22mph），即一根100km长钢线经过一个方向需10，000秒或约2.75小时。其中一个线导轮由马达驱动，控制整个钢线系统。
钢线必需保持一定张力能压迫砂浆中磨砂研磨晶棒，并预防导轮上钢线进给错误。这全部由一个线张紧装置来自己控制并调整系统。这个系统保持钢线在一定张力下，并控制钢线进给速度。
线切割机钢线和晶棒接触，而砂浆沉积在钢线上。砂浆由碳化硅和油混合而成，或其它部分类似坚硬材料和液体混合物。经过钢线带动，砂浆会对晶棒缓慢研磨，带走晶棒表面少许材料，形成凹槽。钢线不停移动将凹槽中材料不停带走，在钢线完全经过晶棒后，砂浆仍随钢线移动。
伴随硅片直径增加，线切割机在硅片切割中将饰演更关键角色。当硅片达成300mm或更大时，内圆刀片直径也必需增大，而且刀片厚度必需增加才能充足维持其刚直性，这么就会造成更多刀片损失。其次，线切割机对于更大直径硅片，不需要改变线粗细。所以，线切割切片损失仍保持不变，同一根晶棒就能得到比内圆切片更多硅片。

线切割问题
对于线切割，有两种关键失效模式：钢线张力错误改变和钢线断裂。假如钢线张力错误，线切割机就不能有效进行切割了。钢线有任何一点松动，全部会使其在对晶棒进行切割时发生摇摆，引发切割损失，并对硅片造成损伤。低张力还会发生另一问题，会使钢线导轮发生错误进给。这一错误可能造成对晶棒错误切割或使钢线断裂。在切割过程中，钢线可能会从一个凹槽跳到另一个凹槽中，使硅片切割进行到二分之一。钢线也可能因张力太大，达成它所能承受极限，造成钢线断裂。假如钢线断裂，可能对硅片造成损伤，并使切割过程停止。断裂钢线还可能造成众多硅片断裂。

其它切割方法
近几年来，还有很多切割工艺被提议用在硅片切割上。如线性电气加工EDM，配置研磨线，电气化学，和电气-光化学。比起现在切割工艺，全部这些方法全部有其潜在优势，然而，比起已处理问题，它们仍存在更多问题而不能被商业上应用。最可能方法是EDM，又称火花腐蚀加工，它有很低切片损失。

晶向
当进行切片时，必需按用户要求沿一个方向切割。全部用户全部期望硅片有一特定晶向，不管是在一单晶平面还是假如特定，和平面有特定数值方向。在这么情况下，就要尽可能使硅片切割靠近这一方向。一个和正确方向小小偏离全部会影响到以后器件组成。部分制作过程要依靠晶向蚀刻，其它则需要基层晶向正确。硅片晶向发生任何问题全部会引发器件制造问题。所以，必需在切片开始时就检验硅片晶向正确性。
当晶棒粘在切片机上时，以参考面为基础，将晶棒排好。然而，也不能确保切出来硅片晶向正确，除非先切两片硅片，用X-ray机检验晶向是否正确。图2.9所表示，这个过程类似于单晶生长模式中描述，除了衍射是针对硅片表面而不是边缘。假如硅片晶向错误，那么就要调整切片机上晶棒位置。切片机有调整晶向功效。在正确晶向定好以后，硅片切割就能够进行下去了。

图2.9 X-ray衍