CH4 硅片加工-表面拋光

上章內容回憶加工的對象：硅切割片加工的過程：倒角、研磨、熱處理加工的目的：倒角—1.防止崩邊；2.熱處理過程中，釋放應力負面效應〔形成邊緣應力〕研磨—減薄外表損傷層，為進一步拋光創(chuàng)造條件負面效應〔形成面內螺旋式應力分布〕熱處理—1.消除熱施主；2.釋放應力三種工藝的前后順序不能顛倒為何是對硅片，而不對硅錠，進行熱處理？1)大塊單晶不容易均勻受熱，加熱后易發(fā)生崩裂，〔熱膨脹系數(shù)各向異性的〕，而硅片尺寸小，散熱快，不易于崩裂。2)對硅片熱處理，可以消除倒角和磨片過程中形成的應力。加工效果的評估損傷層：大幅減薄，大約還有20～30μm粗糙度：大幅減小，大約還有10～20μm應力：內部已經消除電阻率溫度穩(wěn)定性：較好—消除了熱施主雜質污染：存在不可防止的金屬等污染，一般在淺表層。待進一步加工：損傷層，粗糙度，潔凈拋光清洗下一章的工藝硅片的外表拋光——進一步提高硅片外表的平整度。第四章硅片外表的拋光技術主要內容：1.拋光片的特性參數(shù)。2.拋光的根本流程：化學減薄—拋光。3.典型的拋光方法—CMPCMP:ChemicalMechanismpolish4.拋光的工藝流程。硅片拋光的意義硅加工中，多線切割、研磨等加工過程中，會在外表形成損傷層，從而使得外表有一定粗糙度。拋光就是在磨片根底上，通過化學機械研磨方式，進一步獲得更光滑、平整的硅單晶外表的過程。研磨片粗糙度(拋光前)：～10-20um拋光片粗糙度(拋光后)：～幾十nm研磨片拋光片研磨和拋光中關注的參數(shù)研磨片：一定厚度的薄片，是一種體材料，只關注某些體的特征參數(shù)，如厚度、翹曲度，和外表的參數(shù)，如崩邊。拋光片：有光滑外表的硅片，主要關注加工的硅外表的特征參數(shù)。1.拋光片的特性參數(shù)1〕硅片的理想狀態(tài)2〕硅片外表的平整度3〕硅片外表的缺陷1〕硅片理想狀態(tài)硅片的理想狀態(tài)：a:硅片上、下外表之間，對應的測量點的垂直距離完全一致，且任意外表均與理想平面相平行。b:硅片外表晶格完整，所有非飽和的懸掛鍵位于外表的二維平面內。c:無雜質污染，無各種晶體缺陷。理想平面：指幾何學上的理想的、完美的平整平面。Si俯視斜視平視懸掛鍵假設干原子層平面〔理想平面〕2〕硅拋光片外表的平整度定義：標志外表的平整性，指硅片外表與理想基準平面的最大偏離。描述平整度的兩個參數(shù)：a:總指示讀數(shù)(TIR)：硅片拋光外表最高點和最低點之差，即峰谷差值，只為正值。b:焦平面偏差(FPD)：外表最高點和最低點二者中，偏離基準平面的最大值，可以是正或負值。TIR和FPD的示意圖上拋光面最凹點最凸點TIR值，如12umFPD值如-8um基準面拋光片的其它參數(shù)拋光片的其它參數(shù)：厚度、總厚度變化、彎曲度、翹曲度等硅片厚度：硅片中心點位置的厚度?？偤穸茸兓疶TV：最大與最小厚度的差值TTV=Tmax-Tmin彎曲度和翹曲度彎曲度：是硅片中線面凹凸形變的最大尺寸。翹曲度：硅片中線面與一基準平面之間的最大距離與最小距離的差值。硅片的中線面：也稱中心面，即硅片正、反面間等距離點組成的面，即中心層剖面。彎曲度彎曲度基準面單向翹曲下界面上界面A點在A點，中線面和基準平面的距離最大：x2x1d最小距離：，反向翹曲時，此值為負值。翹曲度：雙向翹曲基準面x2x1x3x4翹曲度：3〕硅拋光片的外表缺陷缺陷的種類：a:和研磨片類似的缺陷：崩邊、缺口、裂紋等b:特有的外表缺陷：劃痕、凹坑、波紋、沾污、色斑、橘皮、霧、氧化層錯、渦旋、電阻率條紋等劃痕：研磨顆粒劃出的狹長的溝槽，一般不會很深，重劃痕～0.12um。凹坑：外表上的凹陷小坑波紋：大面積的，肉眼可見的，類似波紋的不平坦區(qū)。沾污：吸附于外表的各種污染顆粒。色斑：化學性沾污。橘皮：大面積的，大量突起小丘的群體。霧：大面積的，大量不規(guī)那么缺陷〔如小坑〕引起的光散射現(xiàn)象，常常形成霧狀。2.拋光前的化學減薄1〕化學減薄的作用。2〕化學減薄的方法。3〕化學減薄的工藝流程。1〕化學減薄與作用定義：采用化學腐蝕的方法，將硅片外表進行化學剝離，從而減薄損傷層，為拋光創(chuàng)造條件。化學減薄的作用：減少拋光過程的去除層厚度。使硅片外表潔凈—去除表層。消除內應力—去除損傷層?；瘜W減薄的作用化學減薄平面雜質原子拋光面張應力擠壓應力Si2〕化學減薄的方法a:酸性腐蝕b:堿性腐蝕酸性腐蝕腐蝕液組成：[HF]:[HNO3]:[HAc]乙酸=(1~2):(5~7):(1~2)反響的特點：優(yōu)點：反響速度快，過程中放熱，不需要加熱，典型速度0.6～0.8um/s。缺點：反響生成的氮化物，污染環(huán)境。酸腐蝕的機理硅的酸性腐蝕減薄機理：硅被HNO3氧化，反響為：用HF去除SiO2層，反響為：總反響為：污染物堿性腐蝕腐蝕液組成：NaOH/KOH+H2O濃度15%～40%反響的特點優(yōu)點：反響需加溫度，一般80～90℃，速度比較慢，易控制，廢液也易處理。缺點：反響是縱向反響，易向深層腐蝕，容易形成外表粗糙度增加，剩余堿不易去除。堿性腐蝕機理硅的堿性腐蝕減薄機理：3〕化學減薄的工藝過程準備工作化學腐蝕送檢驗沖洗甩干厚度分選準備工作：配腐蝕液、開通風櫥、準備沖洗水等。厚度分選：2～5um分檔，比方，d和d+6um屬于兩個種類。腐蝕過程：控制溫度、時間，腐蝕層一般10～20um。沖洗甩干：用大量水將硅片沖洗，并甩干。送檢。3.硅片拋光的方法1〕機械拋光。2〕化學拋光。3〕化學機械拋光—CMP技術?！?〕機械拋光方法：拋光液的磨料對硅片外表進行機械摩擦，而實現(xiàn)對外表的拋光。研磨漿組成：Al2O3、MgO、SiC等磨粒+水優(yōu)點與缺點：優(yōu)點：拋光速度快。缺點：外表質量不高，粗糙化、劃痕嚴重。地位：最早期的硅片拋光技術，目前已經被淘汰。2〕化學拋光方法：利用化學試劑對硅片外表進行化學腐蝕，來進行拋光，包括：液相、氣相腐蝕、電解拋光等。缺點：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。地位：可以進行特種拋光，如小面積平整化，非規(guī)那么外表拋光，而不利于大面積平整化的硅片拋光。3〕化學機械拋光方法：堿與外表的硅〔氧化硅〕發(fā)生化學反響，生產可溶性的硅酸鹽〔Na2SiO3〕，再通過SiO2膠粒和拋光布墊的機械摩擦進行去除。拋光過程包括：化學反響-機械去除-再反響-再去除…是一種化學作用和機械作用相結合的拋光工藝。優(yōu)點：包含了機械和化學拋光的雙重優(yōu)點。地位：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。我們主要介紹堿性SiO2CMP拋光內容回憶—硅片研磨硅片研磨之后的效果：損傷層：大幅度減薄〔70~80—20~30μm〕粗糙度：大幅度降低〔30~40—10~20μm〕然而硅片的外表參數(shù)，仍待進一步提高。不斷減小的電子線寬，要求更低的粗糙度。理想的硅片，要求消除損傷層。拋光拋光：實現(xiàn)100nm以下粗糙度，需要新的拋光原理。思考：為何減小磨粒的研磨方式，無法實現(xiàn)高精度拋光？單位時間滾過的面積粗糙區(qū)平整化新粗糙化粗糙區(qū)域和單晶平整區(qū)域的機械強度差異越大，最終加工出的外表越平整。平整區(qū)研磨顆粒理想拋光的必要條件理想拋光的必要條件：粗糙區(qū)域機械強度很差——極易擦除。平坦的單晶區(qū)機械強度足夠大——不易擦除。方案：降低粗糙區(qū)域的機械強度粗糙區(qū)硬度<磨粒硬度<單晶硬度化學機械拋光——CMPCMP:ChemicalMechanicalpolishing研磨片拋光片4.3硅片的化學機械拋光1)化學機械拋光簡介2)化學機械拋光的根本原理3)化學機械拋光的設備結構4)化學機械拋光的工藝流程5)化學機械拋光的影響因素6)化學機械拋光的效果評估判斷工藝缺陷1)化學機械拋光簡介地位：是1965年提出的一種拋光方案，過程中兼有化學、機械作用的優(yōu)點，可以在較大范圍內實現(xiàn)極高的外表平整度，是目前唯一的大面積外表平坦化的拋光技術。硅片拋光工藝：普遍采用堿性SiO2的化學機械拋光，可以在12、18英寸硅片上實現(xiàn)100納米以下的粗糙度。CMP過程：拋光液中的堿與硅表層發(fā)生化學反響，并生成較疏松的硅酸鹽(粘附在表層，阻礙深層反響)，再通過SiO2膠粒和拋光布墊的機械摩擦而脫離外表，從而實現(xiàn)表層剝離。此過程反復進行，從而對硅片逐層剝離，并實現(xiàn)對硅片的高精度拋光。主要特點：化學反響—機械去除—再反響—再去除…是一種化學作用和機械作用相結合的拋光工藝〔二者互相控制〕。優(yōu)點：包含了機械、化學拋光的雙重優(yōu)點。速度快均勻性好化學機械拋光示意圖夾持頭拋光液硅片拋光墊陶瓷板水路拋光墊拋光區(qū)示意圖壓力硅片磨料壓力CMP主要技術指標拋光液的組成與原理。拋光墊材料結構和溫度控制。硅片的固定和運動方式。拋光液的輸運和溫度控制。拋光底盤的運動和溫度控制。拋光界面的穩(wěn)定性——硅片運動平整，壓力均衡，拋光墊平整等。2〕化學機械拋光的原理(1)拋光液的組成和特點(2)拋光墊的結構和特點(3)拋光過程中的化學和機械作用化學作用機械作用堿性SiO2拋光液SiO2膠粒(1)拋光液的組成與特點簡介：堿性SiO2拋光液，是均勻分散SiO2膠粒的乳白色膠體，成堿性，PH:8~11。膠粒大小，PH大小等參數(shù)和型號有關。組成：研磨劑(SiO2膠粒)、堿、去離子水、外表活性劑、氧化劑、穩(wěn)定劑等。理想效果：在使用中，保持穩(wěn)定的膠體狀態(tài)，均勻分散(不團聚)，有穩(wěn)定的腐蝕速率。主要挑戰(zhàn)：腐蝕物顆?；烊耄瑴囟壬?，PH值不穩(wěn)定，腐蝕速率不穩(wěn)定等各組分的作用SiO2膠粒：機械摩擦和吸附腐蝕產物。硬度適當，擦除腐蝕產物，不破壞未腐蝕區(qū)納米尺寸，20～100nm〔和拋光液型號有關〕。堿性：一般是有機堿類，比方有機胺類。拋光中進行腐蝕。防止金屬離子K+、Na+引入。和某些金屬形成絡合物，除去金屬。氧化劑：用于加快腐蝕速率。表層的Si和堿反響較慢，而SiO2和堿反響較快，氧化劑可以將表層Si氧化，從而獲得較快腐蝕速度。外表活性劑：分散不溶性顆粒，防止聚集沉淀?；钚詣┓肿右欢擞H顆粒，一端親溶劑，這樣活性劑分子包圍顆粒，而彼此互相排斥，從而顆粒易于被溶劑浸潤，不會凝聚。油脂外表活性劑分子溶劑水外表活性劑親水親油排斥拋光液的主要作用拋光液的主要作用：拋光—腐蝕+研磨+吸附反響物潤滑作用冷卻降溫沖洗排渣拋光液的主要參數(shù)拋光液的主要參數(shù)包括：SiO2膠粒形狀和硬度SiO2膠粒平均尺寸——粗糙度、摩擦力拋光液的PH值——腐蝕速率拋光液分散的穩(wěn)定性——拋光中不團聚拋光液的純度——金屬含量(Cu，Al，F(xiàn)e)2〕拋光墊材料：是一種具有一定彈性，而疏松多孔的材料，一般是聚氨酯類材料。典型材料：聚氨酯發(fā)泡固化拋光墊主要作用：存儲和傳輸拋光液。對硅片提供穩(wěn)定的壓力。對硅片外表進行機械摩擦。聚氨酯拋光墊微觀結構拋光墊整體結構壓敏膠粘結底盤高度平整外表(3)拋光中的化學和機械作用化學作用：堿對硅的腐蝕作用——腐蝕速率腐蝕物對金屬雜質的吸附作用—除污染SiO2膠粒(小)對腐蝕物的吸附作用——吸除堿性的金屬絡合作用——除污染機械作用：SiO2膠粒(大)的摩擦作用拋光墊的摩擦作用擦除a.堿對硅的腐蝕作用硅片外表是損傷層，存在非單晶Si和SiO2薄層Si+2OH-+H2O=SiO32-+H2↑SiO2+2OH-=SiO32-+H2Ob.膠粒(小)的吸附作用較小的SiO2膠粒具有較強的吸附作用，可以吸附腐蝕的產物，使其脫離硅片外表。c.堿的絡合作用有機堿分子和某些重金屬反響，生成絡合物化學作用機械作用拋光墊和膠粒(大)的機械作用。較大SiO2膠粒和拋光墊，對硅片外表有機械摩擦作用，從而使腐蝕出的產物脫離硅片外表，并最終去除。CMP的去除過程腐蝕大膠粒摩擦粘于外表小膠粒吸附脫離外表剝離拋光墊摩擦化學、機械作用的關系CMP中，化學與機械作用應相匹配化學作用腐蝕硅外表薄層。機械作用擦除的是被腐蝕的局部。理想的拋光：腐蝕速率=(擦除+吸附)速率=拋光速率試思考：該如何控制拋光的精度？高精密度獲得—多步CMP拋光粗拋光細拋光精拋光最終拋光去損傷層15um定點平坦化干化學等離子刻蝕去霧1um平坦化5um拋光精度控制原理粗拋光細拋光精拋光拋光液PH值10~1110~119~10壓力kg/cm20.250.10.05轉速r/min624030拋光速率um/min1.00.80.33)設備種類與結構主要設備種類：有蠟單面拋光機無蠟單面拋光機無蠟雙面拋光機有蠟拋光：利用蠟將硅片的一面粘結固定在陶瓷板上，而對另一面進行拋光無蠟單面拋光：利用外表張力將硅片和載體板吸附在一起，再進行拋光。無蠟單面拋光：整體結構類似研磨，上下磨盤，中間載體，載體中間的空隙用于防止硅片。(1)有蠟拋光：優(yōu)點是外表拋光效果較好，缺點需要增加去蠟和清洗的工藝。(2)無蠟拋光，優(yōu)點是防止了蠟的污染，缺點是拋光精度略有降低。單面拋效果優(yōu)于雙面拋光。大尺寸硅片多采用有蠟拋光，而無蠟拋光適用于小尺寸硅片。各種拋光的特點：(1)有蠟單面拋光機硅片的固定方式蠟陶瓷板固定硅片流程1.加熱陶瓷板——耐高溫2.在熱的陶瓷板上，噴涂(離心)蠟，使其融化，并均勻覆蓋。3.將硅片均勻按壓于蠟上，靜置。(2)無蠟單面拋光機襯墊陶瓷板襯板水膜吸附(3)雙面硅片拋光機典型設備商：德國彼特沃爾特斯公司PeterWolters網址://peter-wolters/底盤冷卻系統(tǒng)載體的行星式運動硅片位置4)拋光的工藝步驟拋前準備粗拋厚度分選粘片精拋取片結束1〕拋光前準備a：動力：電源、水壓、氣壓等b：硅片裝載具c：拋光布墊d：拋光液e：清洗設備2〕厚度分選與裝載典型上機(有蠟)拋光粗拋精拋壓力MPa0.08～0.160.02～0.08溫度℃25～4525～30流速ml/min150～300150～300PH10～117.5～9.0時間min10～152～10拋光過程中，是通過降低拋光液PH值，降低壓力，縮短拋光時間等手段，逐步獲得高精密的拋光外表。4〕取片有蠟拋光：將硅片和陶瓷板擦干凈，然后加熱，使蠟融化，然后用鑷子取下硅片。無蠟拋光：將硅片用水沖洗干凈，用吸筆將硅片取下，放入清洗池中。理想的拋光的狀態(tài)—速率理想的拋光狀態(tài)：單位時間的腐蝕速率等于單位時間的去除速率，這就保證腐蝕的局部完全被去除，而未腐蝕局部不被去除。而去除包括機械擦除和靜電吸收兩局部。如果：V1腐蝕速率；V2擦除速率；V3吸除速率那么：V1=V2+V3=V〔拋光速率〕而V2=BpKμh(n1+n2);V3=Cqsdr那么：V=V1=V2+V3=BpKuh(n1+n2)+CqsdrB:摩擦因子；p:壓強；K:反響速率；μ:摩擦系數(shù)；h:硬度；n:轉速；C:吸附常數(shù)；r:磨粒直徑；d:濃度；s比外表積；q:外表電荷密度表達式意義：V2和摩擦有關，V3和研磨液的SiO2顆粒性質有關?？烧{整的拋光速率的因素：壓強p，反響速率K〔PH值相關〕，轉速n拋光速率磨削作用腐蝕速率PH值溫度壓強轉速SiO2純度尺寸硬度拋光墊結構如彈性，負載能力等5〕影響拋光速率的因素(1)拋光壓力一般來說，壓力越大，拋光速率越快，但是壓力足夠大時，拋光速率會略微下降，原因是壓力大，拋光墊承載拋光液能力下降。另外，壓力大易形成破片現(xiàn)象。所以，應控制拋光的壓力?？刂圃敲矗簰伖鈺r，拋光速率和效果并重，在保證拋光效果的前提下，希望提高拋光的速率，也就是說，效果第一，速率第二。拋光壓力的分階段化控制(2)拋光溫度溫度和反響速率有關，溫度越高，那么反響速率越快，拋光溫度的選擇，滿足兩點要求：方便加工，即不做額外控溫，反響速率不過快。溫度一般在室溫25℃~30℃左右。事實上，溫度和其它參數(shù)相關，比方反響速率是溫度和PH值的函數(shù)，v=v(T,PH,…)，因此，需要選擇室溫下適宜的反響速率，這就規(guī)定了PH值的范圍。(3)PH值一定溫度下，PH值越高，堿性越強，反響速率越快，隨著粗拋到精拋，PH值逐漸降低。其選擇要滿足室溫下反響速率的要求。(為到達相同的反響速率，可以取低PH值，室溫反響，也可以采取較高PH值，在低溫反響)。(4)硅片晶體結構腐蝕速率和機械性能的各向異性，即和晶體取向有關。原子面密度越大，越難拋光。Si〔111〕面最難拋光。〔100〕面最易拋光。(5)摩擦力f表達式：f=μp其中，μ是摩擦系數(shù)，p是壓強大小摩擦力越大，拋光速率會越大，但是過大的摩擦力會增加外表劃痕碎片等損傷概率，摩擦發(fā)熱導致拋光液溫度升高，而影響腐蝕速率。因此應選擇適宜的摩擦力大小。摩擦力大小的因素：硅片外表粗糙度、拋光墊的外表粗糙度，研磨漿負載能力，SiO2狀況〔顆粒大小和外表形狀等〕、拋光液的濃度，研磨的轉速等等。摩擦力的調節(jié)方法：可以通過壓強的大小，轉速大小來調節(jié)。與CMP相關的主要參數(shù)：(1)溫度(2)PH值(3)壓力(4)摩擦力〔和拋光墊和硅片外表結構、SiO2尺寸分布、轉速、流量等有關，過程中通過壓力來調節(jié)〕(5)轉速(6)拋光液流量總之，拋光時要兼顧拋光速率和拋光效果兩個方面，各個參數(shù)應當互相匹配，隨著從粗拋到精拋，拋光速率逐漸下降，采取的措施是：降低PH值，〔即降低反響速率〕減小壓力，降低轉速等等。不能片面追求拋光速率，而不顧拋光質量。總結6〕拋光的效果評估(1)幾何特征(2)外表性能(3)熱氧化缺陷(1)幾何特征在硅片的不同的點上，硅片厚度的一致性和平整性，主要側重于硅片的體性能。影響因素：硅片厚度分選，拋光時硅片轉動的平面化程度，比方硅片進行非水平面轉動，拋光外表易彎曲。厚度一致的表征參數(shù)：TTV=Tmax-Tmin平整性表征參數(shù)：全局、局部平整度。TmaxTmin(2)硅片的外表特征崩邊、缺口、裂紋：機械運動不穩(wěn)定造成，可以改進設備完全消除。劃痕：機械摩擦造成，比方SiO2外形粗糙，存在鋒利邊緣。橘皮：大面積的凸起小丘，形成原因是，腐蝕速率過慢，而小于摩擦去除的速率。霧：大面積的小的凹陷坑，是腐蝕速率過快形成。(3)硅片的熱氧化缺陷熱氧化缺陷指，拋光片在熱氧化以后可以看到的缺陷。典型拋光缺陷分析(1)橘皮出現(xiàn)原因(2)霧的出現(xiàn)原因化學腐蝕和機械摩擦的作用化學腐蝕：深層腐蝕，傾向先形成小尺寸凹坑，然后凹坑擴大并連接，最終擴大為腐蝕凹面。機械摩擦：拋光墊的平面性摩擦，和較大SiO2膠粒的摩擦。橘皮橘皮：大量的不規(guī)那么的小丘狀突起。產生原