单晶硅片的制造技术

  摘要：随着ＩＣ随着技术的进步，集成电路芯片不断向高集成、高密度、高性能方向发展。传统的硅片

  主要适用于小直径制造技术（￣＜２００　ｍｍ）硅片的生产；随着大直径硅片的应用，硅片的超精度研磨

  广泛应用。本文主要讨论了小直径硅片的制造技术和适用于大直径硅片生产的硅片的自旋磨削

  加工原理及工艺特点。

  关键词：ＩＣ硅片研磨抛光磨削

  集成电路（IC)是现代信息产业的基础。IC使用的材料主要是硅、诸和碑化嫁等，全球90%以上IC使用硅片IC硅片不仅要求平面度高，表面粗糙度小，还要求表面无变质层和划痕。目前，硅单晶制备技术可使晶体径向参数均匀，减少体内微缺陷.1~0.3um平均尺寸的缺陷可以小于0.05个/cm2；对电路加工过程中诱发的缺陷理论模型也有相对完整的理解，从而开发了一套完美的晶体加工工艺。此外，随着半导体工业的快速发展，为了满足现代微处理器和其他逻辑芯片的要求，一方面，为了增加芯片生产，降低单元制造成本，硅直径增加；另一方面，为了提高IC硅片的刻线宽度要求越来越细。IC制造技术已进入0.13和300mm这对单晶硅片的制造技术提出了新的要求。

  硅片直径及集成电路的发展趋势

  美国半导体工业协会（SIA)直径450的微电子技术发展构图将于2008年开始使用mm的

  硅片（硅片直径的发展趋势如图1所示）,实现特征线宽0.07pm,硅片表面总厚度变化（TTV)要求小于0.2um,局部平整硅片表面（SFQD)设计线宽的2/3，硅片表面粗糙度达到纳采和亚纳米级，芯片集成度达到9000万晶体管/cm2.目前一个芯片可以集成数亿个元件，集成电路集成水平的发展趋势如表1所示。

  随着硅片直径的增加，为了保证硅片具有足够的强度，原硅片（pri ** rywafer)厚度也相应增加，目前为200mm直径硅片的平均厚度为700p300mm直径硅片的平均厚度增加到775pm。相反，为了满足IC芯片包装的需求和改进IC尤其是功率IC芯片的可靠性，降低热阻，提高芯片的散热能力和成品率，需要薄芯片的厚度，芯片的平均厚度每两年减少一半。芯片的厚度已100-200pm,智能卡、MEMS、生物医学传感器等IC芯片厚度已降至1000pm下面。高密度电子结构的三维集成和三维包装芯片厚度小于50um超薄硅片。硅片直径、厚度和芯片厚度的变化趋势如图2所示。硅片直径和厚度的增加和芯片厚度的降低给半导体加工带来了许多突出的技术问题：硅片直径增加后，加工过程中翘曲变形，加工精度不易保证：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，随着直径的增加和厚度的减小，脆性硅片在夹紧和加工过程中容易断裂，加工难度增加。因此，直径≥300mm硅片的加工工艺和设备不再是2000mm以下硅片加工工艺和设备的简单放大，但发生了质的变化，现有的小型硅片加工工艺和设备不再适用，面临着严峻的挑战。

  ２单晶硅片的加工工艺

  集成电路制造过程共分４个阶段：单晶硅片制造→前半制程→硅片测试→后半部分工艺。整个过程应用于先进的制造工艺和设备，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、研磨和抛光）工艺和设备IC在制造过程中起着重要作用IC关键的制造技术。

  在单晶硅片制备阶段，硅单晶棒需要加工成具有高表面精度和表面质量的原始硅片或光片（barewa-fer),为IC上半年的光刻等工序准备平整超光滑无损衬底表面。≤200mm传统硅片加工工艺为：单晶生长→切断→外径滚磨→平边或V型槽处理→切片→倒角→研磨→腐蚀→抛光→清洗→包装。

  有两种方法可以长成单晶硅棒：直拉法(CZ)和浮融法（FZ)。其中CZ法律约占85%。CZ法所以比FZ半导体工业广泛采用法律，主要是因为其高氧含量提供了晶片强化的优点，另一方面是CZ法比FZ大型单晶硅棒更容易生产。

  切割：目的是切割单晶硅棒的头部、尾部和超出客户规格的部分，将单晶硅棒分割成切片设备的长度，切割试验片，测量单晶硅棒的电阻率和氧含量。外径研磨：由于单晶硅棒的外径表面不均匀，直径大于最终抛光晶片规定的直径规格，可通过外径研磨获得更准确的直径。

  平边或V型槽处理：指定向基准平面处理，用单晶硅支撑的特定结晶方向平面或V型槽。

  切片：将单晶硅棒切成几何尺寸准确的薄片。

  倒角：将切割的晶片锐边修剪成弧形，防止晶片边缘破裂和性格缺陷

  研磨：是指通过研磨去除切片和轮磨造成的锯痕和表面损伤层，有效改变单一硅片的翘曲度、平整度和平行度，达到抛光工艺可处理的规格。

  硅片研磨加工质量直接影响其抛光和抛光工艺的整体效率，甚至影响IC性能。硅片研磨加工模型如图3所示。单晶硅是一种硬脆材料。研磨材料具有轧制和微切割的作用。材料的破坏主要是小破碎。研磨加工后的理想表面形式是由无数小破碎痕迹组成的均匀无光泽表面。在研磨硅片时，控制裂纹的大小和均匀性很重要。

  腐蚀：指经切片及研磨等机械加工后，晶片表面受加工应力而形成的损伤层，通常采用化学腐蚀去除。抛光：指单晶硅片表面需要改善微缺陷，从而获得极高平坦度、极小表面粗糙度值的晶片表面，并要求表面无变质层、无划伤的加工工艺。抛光的方式包括粗抛，主要作用是去除损伤层，般去除量约在10~20um;精抛的主要作用是提高晶片表面的微粗糙度，一般去除量为1pm以下。

  目前，硅片的最终抛光采用湿式机械化学抛光法进行，即面氧化膜与软抛光粉的固相反应。硅片的机械化学抛光原理如图4所示，粒径为0.01

  粉末均匀混合在弱碱性溶液中的胶状液体作为研磨剂，在高速高压抛光条件下，在抛光布和硅片之间形成一个封闭的抛光层。同时，在硅片表面形成软水合膜，抛光盘通过不断去除水合膜来抛光硅片。然而，一旦抛光过程中的水合膜破裂，就会在硅片表面产生加工缺陷。然而，这种缺陷可以通过清洗和使用水溶液侵蚀来消除，以去除天然氧化膜。

  清洗:单晶硅片加工过程中需要清洗的步骤很多，主要是抛光后的最终清洗。清洗的目的是去除晶片表面的所有污染源。

  3 大直径硅片制造技术

  当硅片直径增大时（≥300mm)之后，传统加工工艺在表面精度和生产效率方面的缺点将更加突出。一方面，在加工大直径硅片时，需要相应增加研磨和抛光板的尺寸，而大尺寸研磨板难以达到较高的表面精度；另一方面，随着硅板厚度的增加，材料去除量增加，每个板加工大直径硅板的数量有限，从而减少了硅板的产量。由于传统硅板加工工艺的上述缺点，人们开始研究新原理的加工工艺，以改进工艺，适应大直径硅板的处理。主要改进表现为：用多线锯代替内圆金刚石锯片切割；基于固结磨料加工原理的超精度磨料取代磨料和

  ·腐蚀；单片CMP代替多片CMP等等。与研磨相比，硅片的超精度研磨具有加工效率高、成本低、表面精度高、表面质量好、加工过程在线检测、控制、加工过程自动化等优点。目前，杯形金刚石砂轮端面研磨应用广泛，其中最具代表性的硅片超精度研磨技术是旋转工作台研磨（图5）a)与硅片自旋磨削(图5)b)。硅片自旋转磨削法采用略大于硅片的工件转台，硅片通过真空吸盘保持在工件转台的中心，杯形金刚石砂轮工作面的内外圆周中线调整到硅片的中心位置，硅片和砂轮绕各自的轴线回转，进行切入磨削。磨削深度（与砂轮轴向进给速度f和硅片转速n,关系为

  tW=f/nW

  硅片自旋磨削法的优点：

  (1)可实现延性域磨削。在加工脆性材料时，当磨削深度小于某一临界值时，可以实现延性域磨削。对于自旋转磨削，由公式（1)可知，对给定的轴向进给速度，如果工作台的转速足够高，就可以实现极微小磨削深度。

  （2）可实现高效磨削。从公式(1)可以看出，在保持与普通磨削相同磨削深度的情况下，通过提高硅片转速和砂轮轴向进给速度，可以达到较高的材料去除率，适用于大量磨削。

  (3)砂轮与硅片的接触长度、接触面积、切角不变、磨削力恒定、加工状态稳定，可避免硅片中凸塌陷。

  (4)磨床只沿磨削主轴进给运动，有利于提高机床刚度。

  (5)通过调整砂轮轴与工件轴之间的夹角，可以补偿机床变形引起的砂轮轴与工作台轴不平行。

  (6)砂轮转速远高于硅片转速，因此砂轮磨损对硅片平整度的影响较小。

  (7)每次自旋磨削加工一个硅片，不受硅片与硅片加工余量不均匀的限制。

  由于上述优点，基于硅片旋转研磨原理的超精密研磨技术已成为硅片，特别是直径200mm上述大型硅片制造和背面减薄常用的加工工艺。

  综上所述，下一代IC在制造过程中，基于硅片自旋磨削原理和微粉金刚石砂轮的超精密磨削工艺被认为是大直径的（≥300mm)在硅片制备和背面减薄过程中获得高精度、超光滑、无损伤表面的理想工艺，代表了大直径硅片超精密加工技术的发展方向。因此，有必要根据大型硅片超精密加工工艺的理论和技术发展趋势，开发具有自主知识产权的硅片超精密研磨技术和设备，实现我国半导体制造技术的跨越式发展。

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