單晶硅片的制造技術

  摘要：隨著ＩＣ隨著技術的進步，集成電路芯片不斷向高集成、高密度、高性能方向發展。傳統的硅片

  主要適用于小直徑制造技術（￣＜２００　ｍｍ）硅片的生產；隨著大直徑硅片的應用，硅片的超精度研磨

  廣泛應用。本文主要討論了小直徑硅片的制造技術和適用于大直徑硅片生產的硅片的自旋磨削

  加工原理及工藝特點。

  關鍵詞：ＩＣ硅片研磨拋光磨削

  集成電路（IC)是現代信息產業的基礎。IC使用的材料主要是硅、諸和碑化嫁等，全球90%以上IC使用硅片IC硅片不僅要求平面度高，表面粗糙度小，還要求表面無變質層和劃痕。目前，硅單晶制備技術可使晶體徑向參數均勻，減少體內微缺陷.1~0.3um平均尺寸的缺陷可以小于0.05個/cm2；對電路加工過程中誘發的缺陷理論模型也有相對完整的理解，從而開發了一套完美的晶體加工工藝。此外，隨著半導體工業的快速發展，為了滿足現代微處理器和其他邏輯芯片的要求，一方面，為了增加芯片生產，降低單元制造成本，硅直徑增加；另一方面，為了提高IC硅片的刻線寬度要求越來越細。IC制造技術已進入0.13和300mm這對單晶硅片的制造技術提出了新的要求。

  硅片直徑及集成電路的發展趨勢

  美國半導體工業協會（SIA)直徑450的微電子技術發展構圖將于2008年開始使用mm的

  硅片（硅片直徑的發展趨勢如圖1所示）,實現特征線寬0.07pm,硅片表面總厚度變化（TTV)要求小于0.2um,局部平整硅片表面（SFQD)設計線寬的2/3，硅片表面粗糙度達到納采和亞納米級，芯片集成度達到9000萬晶體管/cm2.目前一個芯片可以集成數億個元件，集成電路集成水平的發展趨勢如表1所示。

  隨著硅片直徑的增加，為了保證硅片具有足夠的強度，原硅片（pri ** rywafer)厚度也相應增加，目前為200mm直徑硅片的平均厚度為700p300mm直徑硅片的平均厚度增加到775pm。相反，為了滿足IC芯片包裝的需求和改進IC尤其是功率IC芯片的可靠性，降低熱阻，提高芯片的散熱能力和成品率，需要薄芯片的厚度，芯片的平均厚度每兩年減少一半。芯片的厚度已100-200pm,智能卡、MEMS、生物醫學傳感器等IC芯片厚度已降至1000pm下面。高密度電子結構的三維集成和三維包裝芯片厚度小于50um超薄硅片。硅片直徑、厚度和芯片厚度的變化趨勢如圖2所示。硅片直徑和厚度的增加和芯片厚度的降低給半導體加工帶來了許多突出的技術問題：硅片直徑增加后，加工過程中翹曲變形，加工精度不易保證：原硅片厚度和芯片厚度的增加，增加了硅片背面材料的去除，提高了加工效率；此外，隨著直徑的增加和厚度的減小，脆性硅片在夾緊和加工過程中容易斷裂，加工難度增加。因此，直徑≥300mm硅片的加工工藝和設備不再是2000mm以下硅片加工工藝和設備的簡單放大，但發生了質的變化，現有的小型硅片加工工藝和設備不再適用，面臨著嚴峻的挑戰。

  ２單晶硅片的加工工藝

  集成電路制造過程共分４個階段：單晶硅片制造→前半制程→硅片測試→后半部分工藝。整個過程應用于先進的制造工藝和設備，如微加工和超精密加工，硅片的超精密加工（包括超精密研磨、研磨和拋光）工藝和設備IC在制造過程中起著重要作用IC關鍵的制造技術。

  在單晶硅片制備階段，硅單晶棒需要加工成具有高表面精度和表面質量的原始硅片或光片（barewa-fer),為IC上半年的光刻等工序準備平整超光滑無損襯底表面。≤200mm傳統硅片加工工藝為：單晶生長→切斷→外徑滾磨→平邊或V型槽處理→切片→倒角→研磨→腐蝕→拋光→清洗→包裝。

  有兩種方法可以長成單晶硅棒：直拉法(CZ)和浮融法（FZ)。其中CZ法律約占85%。CZ法所以比FZ半導體工業廣泛采用法律，主要是因為其高氧含量提供了晶片強化的優點，另一方面是CZ法比FZ大型單晶硅棒更容易生產。

  切割：目的是切割單晶硅棒的頭部、尾部和超出客戶規格的部分，將單晶硅棒分割成切片設備的長度，切割試驗片，測量單晶硅棒的電阻率和氧含量。外徑研磨：由于單晶硅棒的外徑表面不均勻，直徑大于最終拋光晶片規定的直徑規格，可通過外徑研磨獲得更準確的直徑。

  平邊或V型槽處理：指定向基準平面處理，用單晶硅支撐的特定結晶方向平面或V型槽。

  切片：將單晶硅棒切成幾何尺寸準確的薄片。

  倒角：將切割的晶片銳邊修剪成弧形，防止晶片邊緣破裂和性格缺陷

  研磨：是指通過研磨去除切片和輪磨造成的鋸痕和表面損傷層，有效改變單一硅片的翹曲度、平整度和平行度，達到拋光工藝可處理的規格。

  硅片研磨加工質量直接影響其拋光和拋光工藝的整體效率，甚至影響IC性能。硅片研磨加工模型如圖3所示。單晶硅是一種硬脆材料。研磨材料具有軋制和微切割的作用。材料的破壞主要是小破碎。研磨加工后的理想表面形式是由無數小破碎痕跡組成的均勻無光澤表面。在研磨硅片時，控制裂紋的大小和均勻性很重要。

  腐蝕：指經切片及研磨等機械加工后，晶片表面受加工應力而形成的損傷層，通常采用化學腐蝕去除。拋光：指單晶硅片表面需要改善微缺陷，從而獲得極高平坦度、極小表面粗糙度值的晶片表面，并要求表面無變質層、無劃傷的加工工藝。拋光的方式包括粗拋，主要作用是去除損傷層，般去除量約在10~20um;精拋的主要作用是提高晶片表面的微粗糙度，一般去除量為1pm以下。

  目前，硅片的最終拋光采用濕式機械化學拋光法進行，即面氧化膜與軟拋光粉的固相反應。硅片的機械化學拋光原理如圖4所示，粒徑為0.01

  粉末均勻混合在弱堿性溶液中的膠狀液體作為研磨劑，在高速高壓拋光條件下，在拋光布和硅片之間形成一個封閉的拋光層。同時，在硅片表面形成軟水合膜，拋光盤通過不斷去除水合膜來拋光硅片。然而，一旦拋光過程中的水合膜破裂，就會在硅片表面產生加工缺陷。然而，這種缺陷可以通過清洗和使用水溶液侵蝕來消除，以去除天然氧化膜。

  清洗:單晶硅片加工過程中需要清洗的步驟很多，主要是拋光后的最終清洗。清洗的目的是去除晶片表面的所有污染源。

  3 大直徑硅片制造技術

  當硅片直徑增大時（≥300mm)之后，傳統加工工藝在表面精度和生產效率方面的缺點將更加突出。一方面，在加工大直徑硅片時，需要相應增加研磨和拋光板的尺寸，而大尺寸研磨板難以達到較高的表面精度；另一方面，隨著硅板厚度的增加，材料去除量增加，每個板加工大直徑硅板的數量有限，從而減少了硅板的產量。由于傳統硅板加工工藝的上述缺點，人們開始研究新原理的加工工藝，以改進工藝，適應大直徑硅板的處理。主要改進表現為：用多線鋸代替內圓金剛石鋸片切割；基于固結磨料加工原理的超精度磨料取代磨料和

  ·腐蝕；單片CMP代替多片CMP等等。與研磨相比，硅片的超精度研磨具有加工效率高、成本低、表面精度高、表面質量好、加工過程在線檢測、控制、加工過程自動化等優點。目前，杯形金剛石砂輪端面研磨應用廣泛，其中最具代表性的硅片超精度研磨技術是旋轉工作臺研磨（圖5）a)與硅片自旋磨削(圖5)b)。硅片自旋轉磨削法采用略大于硅片的工件轉臺，硅片通過真空吸盤保持在工件轉臺的中心，杯形金剛石砂輪工作面的內外圓周中線調整到硅片的中心位置，硅片和砂輪繞各自的軸線回轉，進行切入磨削。磨削深度（與砂輪軸向進給速度f和硅片轉速n,關系為

  tW=f/nW

  硅片自旋磨削法的優點：

  (1)可實現延性域磨削。在加工脆性材料時，當磨削深度小于某一臨界值時，可以實現延性域磨削。對于自旋轉磨削，由公式（1)可知，對給定的軸向進給速度，如果工作臺的轉速足夠高，就可以實現極微小磨削深度。

  （2）可實現高效磨削。從公式(1)可以看出，在保持與普通磨削相同磨削深度的情況下，通過提高硅片轉速和砂輪軸向進給速度，可以達到較高的材料去除率，適用于大量磨削。

  (3)砂輪與硅片的接觸長度、接觸面積、切角不變、磨削力恒定、加工狀態穩定，可避免硅片中凸塌陷。

  (4)磨床只沿磨削主軸進給運動，有利于提高機床剛度。

  (5)通過調整砂輪軸與工件軸之間的夾角，可以補償機床變形引起的砂輪軸與工作臺軸不平行。

  (6)砂輪轉速遠高于硅片轉速，因此砂輪磨損對硅片平整度的影響較小。

  (7)每次自旋磨削加工一個硅片，不受硅片與硅片加工余量不均勻的限制。

  由于上述優點，基于硅片旋轉研磨原理的超精密研磨技術已成為硅片，特別是直徑200mm上述大型硅片制造和背面減薄常用的加工工藝。

  綜上所述，下一代IC在制造過程中，基于硅片自旋磨削原理和微粉金剛石砂輪的超精密磨削工藝被認為是大直徑的（≥300mm)在硅片制備和背面減薄過程中獲得高精度、超光滑、無損傷表面的理想工藝，代表了大直徑硅片超精密加工技術的發展方向。因此，有必要根據大型硅片超精密加工工藝的理論和技術發展趨勢，開發具有自主知識產權的硅片超精密研磨技術和設備，實現我國半導體制造技術的跨越式發展。

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