硅片加工车间设计(design of silicon wafer)

以硅单晶锭为原料，经切片、磨片、抛光等加工工序，生产符合半导体器件要求的硅单晶片的硅材料厂的车间设计。硅单晶片(简称硅片)是生产集成电路和功率器件的主要功能材料。硅片加工为继硅单晶生长后的硅材料制备过程。

生产规模   硅片加工车间年生产规模一般从几十万片至几百万片。硅片加工车间建于硅单晶厂内时，其生产规模一般与硅单晶的生产能力相匹配，也可大于硅单晶的生产能力。

设计主要内容为：生产规模、产品方案、工艺流程与生产方法、设备选择、车间配置与技术特点和技术经济指标。

产品方案   硅片加工车间的主要产品是硅抛光片和硅研磨片。前者是以直拉硅单晶为原料加工而成，主要供生产集成电路用；后者以区熔单晶硅为原料，主要供制造大功率电力电子元件。

硅片的直径一般为50～150mm，更大者已达200mm。

对硅片的质量要求主要有物理参数、几何尺寸和表面质量等。半导体设备和材料国际组织(简称SEMI)制定了硅单晶抛光片的SEMI规范(M1)；中国国家技术监督局于1991年发布了硅单晶抛光片标准(GB12964—91)和硅单晶切割片和研磨片标准(GB12965—91)。

工艺流程与生产方法   硅片加工工序主要包括切片、磨片、抛光、化学腐蚀和清洗等。硅片加工原则工艺流程见图。

硅片的化学腐蚀(借以减薄)有酸腐蚀和碱腐蚀两种方法。后者腐蚀速度较慢，但较容易控制，且对操作人员和环境的危害较小。

硅片抛光通常采用二氧化硅胶体抛光。这是一种化学机械抛光法。可以获得基本无损伤层的抛光镜面，满足制作大规模和超大规模集成电路的要求。

设备选择   片加工车间的主要设备有切片机、倒角机、磨片机、腐蚀机、抛光机、清洗干燥机和检测包装设备等。

(1)切片机。将硅单晶锭切割成硅片，工业上普遍采用内圆切片机。其主要特点是材料损耗小，加工精度和生产效率高。根据切割时晶锭呈垂直或水平方向放置，又分立式和卧式两种型式。

(2)磨片机。硅片研磨一般采用行星式双面磨片机。在研磨过程中硅片相对磨盘作行星式运动，表面各点受力均匀，研磨质量好。

(3)抛光机。广泛采用二氧化硅胶体抛光设备，分有蜡抛光和无蜡抛光两种类型。后者抛光速度较快，质量较好，采用较普遍。

设备台数的确定以物料平衡为基础，按下式计算。

设备台数=

车间配置与技术特点   硅片加工车间一般由主要生产工序、辅助生产工序和辅助设施组成。常与硅单晶车间合建于一幢厂房内或独立建设。车间生产环境的洁净程度直接影响产品质量与产品合格率的提高，应根据工艺特点，合理确定各工序生产厂房的空气洁净度等级。

车间配置应按物料工艺流向、生产工序间的密切程度和洁净度等级要求分区布置。洁净区内的人流、物流分别设置出入口；人员和物料入口要分别设置净化场地和设施。

技术经济指标   硅片加工主要工序合格率(％)为：切片(含倒角)≥90；磨片(含腐蚀)≥90；抛光≥90。

硅片加工滚磨1kg硅单晶材料消耗为：

刀片                                0. 017～0.143片；

金刚砂                              1.7～8.8kg。