硅片加工表面拋光

1、上章內(nèi)容回顧上章內(nèi)容回顧n加工的加工的對象對象：硅切割片：硅切割片n加工的加工的過程過程：倒角、研磨、熱處理：倒角、研磨、熱處理n加工的加工的目的目的：l倒角倒角1. 防止崩邊；防止崩邊；2. 熱處理過程中，釋放應(yīng)力熱處理過程中，釋放應(yīng)力 負(fù)面效應(yīng)（形成邊緣應(yīng)力）負(fù)面效應(yīng)（形成邊緣應(yīng)力）l研磨研磨減薄表面損傷層，為進(jìn)一步拋光創(chuàng)造條件減薄表面損傷層，為進(jìn)一步拋光創(chuàng)造條件 負(fù)面效應(yīng)（形成面內(nèi)螺旋式應(yīng)力分布）負(fù)面效應(yīng)（形成面內(nèi)螺旋式應(yīng)力分布）l熱處理熱處理1. 消除熱施主；消除熱施主；2. 釋放應(yīng)力釋放應(yīng)力三種工藝的前后順序不能顛倒三種工藝的前后順序不能顛倒n為何是對硅片，而不對硅錠，進(jìn)行熱處理？為

2、何是對硅片，而不對硅錠，進(jìn)行熱處理？ 1) 大塊大塊單晶單晶不容易均勻受熱，加熱后易發(fā)生不容易均勻受熱，加熱后易發(fā)生崩裂，（熱膨脹系數(shù)各向異性的），而硅片崩裂，（熱膨脹系數(shù)各向異性的），而硅片尺寸小，散熱快，不易于尺寸小，散熱快，不易于崩裂崩裂。 2) 對硅片熱處理，可以對硅片熱處理，可以消除消除倒角和磨片過程倒角和磨片過程中形成的中形成的應(yīng)力應(yīng)力。加工效果的評估加工效果的評估n損傷層損傷層：大幅減薄，大約還有：大幅減薄，大約還有2030mn粗糙度粗糙度：大幅減小，大約還有：大幅減小，大約還有1020mn應(yīng)力應(yīng)力：內(nèi)部已經(jīng)消除：內(nèi)部已經(jīng)消除n電阻率電阻率溫度穩(wěn)定性：較好溫度穩(wěn)定性：較好消除了熱

3、施主消除了熱施主n雜質(zhì)污染：雜質(zhì)污染：存在不可避免的金屬等污染，存在不可避免的金屬等污染，一般在淺表層。一般在淺表層。 待進(jìn)一步加工：待進(jìn)一步加工： 損傷層，粗糙度，損傷層，粗糙度， 潔凈潔凈 拋光拋光 清洗清洗下一章的工藝下一章的工藝n硅片的表面硅片的表面拋光拋光進(jìn)一步提高硅片表面進(jìn)一步提高硅片表面的平整度。的平整度。第四章第四章 硅片表面的拋光技術(shù)硅片表面的拋光技術(shù)n主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1. 拋光片的特性參數(shù)。拋光片的特性參數(shù)。 2. 拋光的基本流程：化學(xué)減薄拋光的基本流程：化學(xué)減薄拋光。拋光。 3. 典型的拋光方法典型的拋光方法CMP CMP: Chemical Mechanism p

4、olish4. 拋光的工藝流程。拋光的工藝流程。硅片拋光的意義硅片拋光的意義n硅加工中，多線切割、研磨等加工過程中，硅加工中，多線切割、研磨等加工過程中，會在表面形成會在表面形成損傷層損傷層，從而使得表面有一，從而使得表面有一定定粗糙度粗糙度。拋光就是在磨片基礎(chǔ)上，通過。拋光就是在磨片基礎(chǔ)上，通過化學(xué)機(jī)械研磨方式，進(jìn)一步獲得更光滑、化學(xué)機(jī)械研磨方式，進(jìn)一步獲得更光滑、平整的硅單晶表面的過程。平整的硅單晶表面的過程。n研磨片研磨片粗糙度粗糙度(拋光前拋光前)：10-20umn拋光片拋光片粗糙度粗糙度(拋光后拋光后)：幾十：幾十nm研磨片研磨片拋光片拋光片研磨和拋光中關(guān)注的參數(shù)研磨和拋光中關(guān)注的參

5、數(shù)n研磨片：研磨片：一定一定厚度厚度的薄片，是一種體材料，的薄片，是一種體材料，只關(guān)注某些只關(guān)注某些體的特征參數(shù)體的特征參數(shù)，如厚度、翹曲，如厚度、翹曲度，和度，和表面的參數(shù)表面的參數(shù)，如崩邊。，如崩邊。n拋光片：拋光片：有光滑表面的硅片，主要關(guān)注加有光滑表面的硅片，主要關(guān)注加工的硅工的硅表面表面的特征參數(shù)。的特征參數(shù)。1. 拋光片的特性參數(shù)拋光片的特性參數(shù)n1）硅片的理想狀態(tài)硅片的理想狀態(tài)n2）硅片表面的平整度硅片表面的平整度n3）硅片表面的缺陷硅片表面的缺陷1）硅片理想狀態(tài)）硅片理想狀態(tài)n硅片的理想狀態(tài)：硅片的理想狀態(tài)：la: 硅片硅片上、下表面上、下表面之間，對應(yīng)的測量點(diǎn)的垂之間，對應(yīng)的

6、測量點(diǎn)的垂直距離完全一致，且任意表面均與理想平面直距離完全一致，且任意表面均與理想平面相平行。相平行。lb: 硅片表面晶格完整，所有非飽和的懸掛鍵硅片表面晶格完整，所有非飽和的懸掛鍵位于表面的二維平面內(nèi)。位于表面的二維平面內(nèi)。lc: 無雜質(zhì)污染，無各種晶體缺陷。無雜質(zhì)污染，無各種晶體缺陷。n理想平面：理想平面：指幾何學(xué)上的理想的、完美的平指幾何學(xué)上的理想的、完美的平整平面。整平面。Si俯視俯視斜視斜視平視平視懸掛鍵懸掛鍵若干原子層平面若干原子層平面（理想平面）（理想平面）-6-4-20246-6-4-20246-1-0.500.511.522.532） 硅拋光片表面的平整度硅拋光片表面的平整度

7、n定義：定義：標(biāo)志表面的平整性，指硅片標(biāo)志表面的平整性，指硅片表面表面與與理想理想基準(zhǔn)基準(zhǔn)平面平面的的最大偏離最大偏離。n描述平整度的兩個參數(shù)：描述平整度的兩個參數(shù)： a: 總指示讀數(shù)總指示讀數(shù)(TIR)：硅片拋光：硅片拋光表面表面最高點(diǎn)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之差，即和最低點(diǎn)之差，即峰谷差值峰谷差值，只為正值。，只為正值。 b: 焦平面偏差焦平面偏差(FPD)：表面表面最高點(diǎn)和最低點(diǎn)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)二者中，二者中，偏離偏離基準(zhǔn)平面的基準(zhǔn)平面的最大值最大值，可以是，可以是正或負(fù)值。正或負(fù)值。TIR和和FPD的示意圖的示意圖上拋光面上拋光面最凹點(diǎn)最凹點(diǎn)最凸點(diǎn)最凸點(diǎn)TIR值，值，如如12umFPD值值如如-8

8、um基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面拋光片的其它參數(shù)拋光片的其它參數(shù)n拋光片的拋光片的其它參數(shù)其它參數(shù)：厚度、總厚度變化、：厚度、總厚度變化、彎曲度、翹曲度等彎曲度、翹曲度等n硅片厚度：硅片厚度：硅片中心點(diǎn)位置的厚度。硅片中心點(diǎn)位置的厚度。n總厚度變化總厚度變化TTV：最大與最小厚度的差值最大與最小厚度的差值 TTV=Tmax-Tmin彎曲度和翹曲度彎曲度和翹曲度n彎曲度：彎曲度：是硅片中線面凹凸形變的最大尺是硅片中線面凹凸形變的最大尺寸。寸。n翹曲度：翹曲度：硅片中線面與一基準(zhǔn)平面之間的硅片中線面與一基準(zhǔn)平面之間的最大距離與最小距離的差值。最大距離與最小距離的差值。n硅片的硅片的中線面中線面：也稱中心面，即硅片

9、正、：也稱中心面，即硅片正、反面間等距離點(diǎn)組成的面，即反面間等距離點(diǎn)組成的面，即中心層剖面中心層剖面。彎曲度彎曲度彎曲度彎曲度基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面單向翹曲單向翹曲下界面下界面上界面上界面A點(diǎn)點(diǎn)在在A點(diǎn)，中線面和基準(zhǔn)平面的點(diǎn)，中線面和基準(zhǔn)平面的距離最大距離最大：x2x1d最小距離最小距離： ，反向翹曲時，此值為負(fù)值。，反向翹曲時，此值為負(fù)值。翹曲度：翹曲度：122xx 2d1222xxd 雙向翹曲雙向翹曲基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面x2x1x3x4翹曲度：翹曲度：341222xxxx 3）硅拋光片的表面缺陷）硅拋光片的表面缺陷n缺陷的種類：缺陷的種類： a: 和研磨片類似的缺陷：崩邊、缺口、裂和研磨片類似的缺陷：崩邊、

10、缺口、裂紋等紋等 b: 特有的特有的表面缺陷表面缺陷：劃痕、凹坑、波紋、：劃痕、凹坑、波紋、沾污、色斑、橘皮、霧、氧化層錯、渦旋、沾污、色斑、橘皮、霧、氧化層錯、渦旋、電阻率條紋等電阻率條紋等n劃痕：劃痕：研磨顆粒劃出的狹長的溝槽，一般不研磨顆粒劃出的狹長的溝槽，一般不會很深，重劃痕會很深，重劃痕0.12um。n凹坑：凹坑：表面上的凹陷小坑表面上的凹陷小坑n波紋：波紋：大面積的，肉眼可見的，類似波紋的大面積的，肉眼可見的，類似波紋的不平坦區(qū)。不平坦區(qū)。n沾污：沾污：吸附于表面的各種污染顆粒。吸附于表面的各種污染顆粒。n色斑：色斑：化學(xué)性沾污。化學(xué)性沾污。n橘皮：橘皮：大面積的，大量突起小丘的群

11、體。大面積的，大量突起小丘的群體。n霧：霧：大面積的，大量不規(guī)則缺陷（如小坑）大面積的，大量不規(guī)則缺陷（如小坑）引起的光散射現(xiàn)象，常常形成霧狀。引起的光散射現(xiàn)象，常常形成霧狀。2. 拋光前的化學(xué)減薄拋光前的化學(xué)減薄n1）化學(xué)減薄的作用。）化學(xué)減薄的作用。n2）化學(xué)減薄的方法。）化學(xué)減薄的方法。n3）化學(xué)減薄的工藝流程。）化學(xué)減薄的工藝流程。1）化學(xué)減薄與作用）化學(xué)減薄與作用n定義：定義：采用化學(xué)腐蝕的方法，將硅片表面采用化學(xué)腐蝕的方法，將硅片表面進(jìn)行化學(xué)剝離，從而減薄損傷層，為拋光進(jìn)行化學(xué)剝離，從而減薄損傷層，為拋光創(chuàng)造條件。創(chuàng)造條件。n化學(xué)減薄的作用：化學(xué)減薄的作用：l減少拋光過程的去除層厚

12、度。減少拋光過程的去除層厚度。l使硅片表面潔凈使硅片表面潔凈去除表層。去除表層。l消除內(nèi)應(yīng)力消除內(nèi)應(yīng)力去除損傷層。去除損傷層。化學(xué)減薄的作用化學(xué)減薄的作用化學(xué)減薄平面化學(xué)減薄平面雜質(zhì)原子雜質(zhì)原子拋光面拋光面張應(yīng)力張應(yīng)力擠壓應(yīng)力擠壓應(yīng)力Si2）化學(xué)減薄的方法）化學(xué)減薄的方法na: 酸性腐蝕酸性腐蝕nb: 堿性腐蝕堿性腐蝕酸性腐蝕酸性腐蝕n腐蝕液腐蝕液組成組成： HF:HNO3:HAc乙酸乙酸=(12):(57):(12)n 反應(yīng)的特點(diǎn)：反應(yīng)的特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)速度快，過程中放熱，不需要加反應(yīng)速度快，過程中放熱，不需要加熱，典型速度熱，典型速度0.60.8um/s。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：反應(yīng)生成的氮

13、化物，污染環(huán)境。反應(yīng)生成的氮化物，污染環(huán)境。酸腐蝕的機(jī)理酸腐蝕的機(jī)理n硅的酸性腐蝕減薄機(jī)理：硅的酸性腐蝕減薄機(jī)理：n硅被硅被HNO3氧化，反應(yīng)為：氧化，反應(yīng)為：n用用HF去除去除SiO2層，反應(yīng)為：層，反應(yīng)為：n總反應(yīng)為：總反應(yīng)為：4NOO2H3SiO4HNO3Si223O2HSiFH6HFSiO26224NOO8HSiF3HHF814HNO3Si2623污染物污染物堿性腐蝕堿性腐蝕n腐蝕液組成：腐蝕液組成： NaOH/KOH+H2O 濃度濃度15%40%n反應(yīng)的特點(diǎn)反應(yīng)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)需加溫度，一般反應(yīng)需加溫度，一般8090，速度，速度比較慢，易控制，廢液也易處理。比較慢，易控制，廢液

14、也易處理。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：反應(yīng)是縱向反應(yīng)，易向深層腐蝕，容反應(yīng)是縱向反應(yīng)，易向深層腐蝕，容易形成表面粗糙度增加，殘余堿不易去除。易形成表面粗糙度增加，殘余堿不易去除。堿性腐蝕機(jī)理堿性腐蝕機(jī)理n硅的堿性腐蝕減薄機(jī)理：硅的堿性腐蝕減薄機(jī)理：232223222HSiONaOH2NaOHSi2HSiOKOH2KOHSi3）化學(xué)減薄的工藝過程）化學(xué)減薄的工藝過程準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備工作化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕送檢驗送檢驗沖洗甩干沖洗甩干厚度分選厚度分選n準(zhǔn)備工作：準(zhǔn)備工作：配腐蝕液、開通風(fēng)櫥、準(zhǔn)備沖洗配腐蝕液、開通風(fēng)櫥、準(zhǔn)備沖洗水等。水等。n厚度分選：厚度分選：25um分檔，比如，分檔，比如，d和和d+6um屬于兩個種類。

15、屬于兩個種類。n腐蝕過程：腐蝕過程：控制溫度、時間，腐蝕層一般控制溫度、時間，腐蝕層一般1020um。n沖洗沖洗甩干：用大量水將硅片沖洗，并甩干。甩干：用大量水將硅片沖洗，并甩干。n送檢。送檢。3. 硅片拋光的方法硅片拋光的方法 1）機(jī)械拋光。機(jī)械拋光。 2）化學(xué)拋光?；瘜W(xué)拋光。 3）化學(xué)機(jī)械拋光化學(xué)機(jī)械拋光CMP技術(shù)。技術(shù)。1） 機(jī)械拋光機(jī)械拋光n方法：方法：拋光液的磨料對硅片表面進(jìn)行機(jī)械拋光液的磨料對硅片表面進(jìn)行機(jī)械摩擦，而實(shí)現(xiàn)對表面的拋光。摩擦，而實(shí)現(xiàn)對表面的拋光。n研磨漿組成：研磨漿組成：Al2O3、MgO、SiC等磨粒等磨粒+水水n優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：拋光速度快。拋

16、光速度快。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：表面質(zhì)量不高，粗糙化、劃痕嚴(yán)重。表面質(zhì)量不高，粗糙化、劃痕嚴(yán)重。n地位：最早期的硅片拋光技術(shù)，目前已經(jīng)地位：最早期的硅片拋光技術(shù)，目前已經(jīng)被淘汰。被淘汰。2） 化學(xué)拋光化學(xué)拋光n方法：方法：利用化學(xué)試劑對硅片表面進(jìn)行化學(xué)腐利用化學(xué)試劑對硅片表面進(jìn)行化學(xué)腐蝕，來進(jìn)行拋光，包括：液相、氣相腐蝕、蝕，來進(jìn)行拋光，包括：液相、氣相腐蝕、電解拋光等。電解拋光等。n缺點(diǎn)：不利于控制拋光速度和深度，不利于缺點(diǎn)：不利于控制拋光速度和深度，不利于獲得大面積、高度平整度拋光面。獲得大面積、高度平整度拋光面。n地位：地位：可以進(jìn)行特種拋光，如可以進(jìn)行特種拋光，如小面積小面積平整化，平整化，非

17、規(guī)則表面拋光，而非規(guī)則表面拋光，而不利于大面積不利于大面積平整化的平整化的硅片拋光。硅片拋光。3） 化學(xué)機(jī)械拋光化學(xué)機(jī)械拋光n方法：方法：堿與表面的硅（氧化硅）發(fā)生化學(xué)反堿與表面的硅（氧化硅）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)可溶性的硅酸鹽（應(yīng)，生產(chǎn)可溶性的硅酸鹽（Na2SiO3），再通），再通過過SiO2膠粒和拋光布墊的機(jī)械摩擦進(jìn)行去除。膠粒和拋光布墊的機(jī)械摩擦進(jìn)行去除。n拋光過程包括：化學(xué)反應(yīng)拋光過程包括：化學(xué)反應(yīng)-機(jī)械去除機(jī)械去除-再反應(yīng)再反應(yīng)-再去除再去除是一種化學(xué)作用和機(jī)械作用相結(jié)合是一種化學(xué)作用和機(jī)械作用相結(jié)合的拋光工藝。的拋光工藝。n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：包含了機(jī)械和化學(xué)拋光的雙重優(yōu)點(diǎn)。包含了機(jī)械和化學(xué)拋

18、光的雙重優(yōu)點(diǎn)。n地位：地位：目前主流的硅片拋光工藝，也是唯一目前主流的硅片拋光工藝，也是唯一一種大面積平整化的拋光工藝。一種大面積平整化的拋光工藝。n我們主要介紹堿性我們主要介紹堿性SiO2CMP拋光拋光內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧硅片研磨硅片研磨n硅片研磨之后的效果：硅片研磨之后的效果：l損傷層：損傷層：大幅度減?。ù蠓葴p薄（70802030 m）l粗糙度：粗糙度：大幅度降低（大幅度降低（30401020 m）n然而硅片的表面參數(shù)，仍待進(jìn)一步提高。然而硅片的表面參數(shù)，仍待進(jìn)一步提高。l不斷減小的電子線寬，要求更低的不斷減小的電子線寬，要求更低的粗糙度粗糙度。l理想的硅片，要求消除理想的硅片，要求消除損

19、傷層損傷層。 拋光拋光拋光：實(shí)現(xiàn)拋光：實(shí)現(xiàn)100nm以下粗糙度，需要以下粗糙度，需要新的新的拋光拋光原理原理。思考：為何減小磨粒的研磨方式，無法實(shí)現(xiàn)高精度拋光？思考：為何減小磨粒的研磨方式，無法實(shí)現(xiàn)高精度拋光？單位時間滾過的面積單位時間滾過的面積粗糙區(qū)粗糙區(qū)平整化平整化新粗糙化新粗糙化粗糙粗糙區(qū)域和單晶區(qū)域和單晶平整平整區(qū)域的機(jī)械強(qiáng)度區(qū)域的機(jī)械強(qiáng)度差別越大差別越大，最終加工出的表面越平整。最終加工出的表面越平整。平整區(qū)平整區(qū)研磨顆粒研磨顆粒理想拋光的必要條件理想拋光的必要條件n理想拋光的必要條件：理想拋光的必要條件：l粗糙區(qū)域機(jī)械強(qiáng)度很差粗糙區(qū)域機(jī)械強(qiáng)度很差極易擦除。極易擦除。l平坦的單晶區(qū)機(jī)

20、械強(qiáng)度足夠大平坦的單晶區(qū)機(jī)械強(qiáng)度足夠大不易擦除不易擦除。n方案：方案：l降低降低粗糙區(qū)域的粗糙區(qū)域的機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度l粗糙區(qū)硬度粗糙區(qū)硬度磨粒硬度磨粒硬度V腐蝕腐蝕n拋光工藝改善方案：拋光工藝改善方案：l提高提高PH值，值，l降低轉(zhuǎn)速降低轉(zhuǎn)速l降低壓力降低壓力霧霧n霧：霧：大量不規(guī)則的密集小凹坑。大量不規(guī)則的密集小凹坑。n形成原因：形成原因：腐蝕速率過快，大于機(jī)械作用。腐蝕速率過快，大于機(jī)械作用。V腐蝕腐蝕V機(jī)械機(jī)械n拋光工藝改善方案：拋光工藝改善方案：l降低降低PH值值l提高轉(zhuǎn)速提高轉(zhuǎn)速l提高壓力提高壓力硅片拋光的其它方法硅片拋光的其它方法n(1) 機(jī)械拋光。機(jī)械拋光。n(2) 化學(xué)拋光。化

21、學(xué)拋光。n(3) 化學(xué)機(jī)械拋光化學(xué)機(jī)械拋光CMP技術(shù)。技術(shù)。(1) 機(jī)械拋光機(jī)械拋光n方法：方法：拋光液的磨料對硅片表面進(jìn)行拋光液的磨料對硅片表面進(jìn)行機(jī)械機(jī)械摩擦摩擦，而實(shí)現(xiàn)對表面的拋光。，而實(shí)現(xiàn)對表面的拋光。n研磨漿組成：研磨漿組成：Al2O3、MgO、SiC等磨粒等磨粒+水水n優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：拋光速度快。拋光速度快。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：表面質(zhì)量不高，粗糙化、劃痕嚴(yán)重，表面質(zhì)量不高，粗糙化、劃痕嚴(yán)重，存在較厚損傷層（工作時壓力造成）。存在較厚損傷層（工作時壓力造成）。n地位：地位：最早期的硅片拋光技術(shù)，目前已經(jīng)最早期的硅片拋光技術(shù)，目前已經(jīng)被淘汰。被淘汰。(2) 化學(xué)拋光化學(xué)

22、拋光n方法：方法：利用化學(xué)試劑對硅片表面進(jìn)行化學(xué)腐蝕，利用化學(xué)試劑對硅片表面進(jìn)行化學(xué)腐蝕，來進(jìn)行拋光，包括：液相、氣相腐蝕、電解拋來進(jìn)行拋光，包括：液相、氣相腐蝕、電解拋光等。光等。n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不利于控制拋光速度和深度，不利于獲不利于控制拋光速度和深度，不利于獲得大面積、高度平整度拋光面。得大面積、高度平整度拋光面。n地位：地位：可以進(jìn)行特種拋光，如可以進(jìn)行特種拋光，如小面積小面積平整化，平整化，非規(guī)則表面拋光，而非規(guī)則表面拋光，而不利于大面積不利于大面積平整化的硅平整化的硅片拋光。另外，氣相腐蝕是一種較好的干法腐片拋光。另外，氣相腐蝕是一種較好的干法腐蝕法。蝕法。本章作業(yè)本章作業(yè)n簡述化學(xué)減薄的兩種方法和減薄的意義簡述化學(xué)減薄的兩種方法和減薄的意義n目前硅片表面拋光的主流方法及其原理。目前硅片表面拋光的主流方法及其原理。n堿性堿性SiO2的的CMP拋光中的機(jī)械和化學(xué)作用。拋光中的機(jī)械和化學(xué)作用。n目前目前CMP拋光的方式