单晶硅片的制造技术.pdf

单晶硅 片的制造技术 M a n u f a c t u r i n g Te c h n i q u e o f M o n o c r y s t a l S i l i c o n W a f e r s 浙江工业大学浙西分校先进制造 实验 室 3 2 4 0 0 6 吴 明明 周兆忠 巫少龙 摘要 随着I C技术的进步 集成电路芯片不断向高集成化 高密度化及 高性能化方向发展 传 统的硅片制造技术主要适应小直径 2 0 0 mm 硅片的生产 随着大直径硅片的应用 硅片 的超精 密磨 削得到 广泛的应 用 本 文主要 论述 了小直径硅 片的制造技术 以及 适应 大直径硅 片 生产的硅 片 自旋 转磨 削法硅 片磨 削的加 工原理和 工艺特 点 关键词 I C硅片 研磨 抛光 磨 削 Ke y wo r ds I C s i l i c o n wa f e r l a p p i ng p o l i s h i n g g r i n d i n g 集成电路 I C 是现代信息产业和信息社会的基 础 是推动国民经济和社会信息化发展最主要的高 新技术 也是改造和提升传统产业的核心技术 I C 所用的材料主要是硅 锗和砷化镓等 全球 9 0 以 上 I C都采用硅片 制造 I C的硅片 不仅要求极高的 平面度 极小的表面粗糙度值 而且要求表面无变质 层 无划伤 目前硅单晶制备技术可使晶体径向参数 均匀 体内微缺陷减少 0 1 0 3 2 m大小的缺陷平 均可以少于 0 0 5 个 平方厘米 对电路加工过程中 诱生的缺陷理论模型也有了较为完整的认识 由此 发展了一整套完美晶体的加工工艺 此外 随着半导 体工业的飞速发展 为满足现代微处理器和其他逻 辑芯片要求 一方面 为了增大芯片产量 降低单元 制造成本 要求硅片的直径不断增大 另一方面 为 了提高 I C的集成度 要求硅 片的刻线宽度越来越 细 I C制造技术已经跨入 0 1 3 2 m 和 3 0 0 mm 时 代 这对单晶硅片的制造技术提出了新的要求 1 硅的材料性能 纯净的单晶硅具有灰色金属光泽 硬而脆 是典 型金刚石结构的半导体 经抛光后表面光亮如镜 硅 的熔点为 1 4 2 0 常温下硅 的化学性质稳定 升温 时 很容易同氧 氯等多种物质发生反应 高温下极 活泼 硅不溶于盐酸 硫酸 硝酸及王水 但易溶于 HF H NO 混合液 后者常用作为硅的腐蚀液 硅 易与碱反应 可用来显示晶体缺陷 硅与金属作用能 便于实现机电器件的集成化 在室温下 单晶硅在外 力作用下很难产生位错和滑移 但由于其抗拉应力 远大于抗剪应力 因此 在切割 研磨和机械抛光等 加工过程 中 硅材料由于承受剪切应力而易于产生 破碎现象 从而影响成品率 2 硅片直径及集成 电路的发展趋势 按照美国半导体工业协会 S I A 提出的微电子 技术发展构图 到 2 0 0 8年 将开始使用直径为 4 5 0 mm的硅片 实现特征线宽 0 0 7 b tm 硅片表面总厚 度变化 T TV 要求小于 0 2 b tm 硅 片表面局部平 整度 S F QD 要求为设计线宽的 z 3 硅片表面粗糙 度要求达到纳米和亚纳米级 芯片集成度达到 9 0 0 0 万个晶体管 平方厘米等 目前 一个芯片上可集成 几亿个元件 集成 电路 已进入 UL S I 阶段 UL S I 电 路集成度的迅速增长主要取决于以下 2 个因素 一 是完美晶体生长技术 已达到极高的水平 二是制造 设备不断完善 加工精度 自动化程度和可靠性的提 高 已使器件尺寸进入深亚微米级领域 集成电路集 成水平的发展趋势如表 1 表 1 集成电路集成水平 的发展趋势 生成多种硅化物 可用来制作大规模和超大规模集 随着硅片直径的增大 为 了保证硅片具有足够 成电路内部引线 电阻等 硅还具有良好的机电合一 的强度 原始硅片 p r i ma r y wa f e r 的厚度也相应增 的特性 既有足够的机械强度 又有优 良的电性能 加 目前 直径 2 o 0 mm 硅 片 的平 均厚 度为 7 0 0 新技术新工艺 机械加工与 自动化 2 0 0 4年 第 5期 7 维普资讯 m 而直径 q 3 0 0 mm 的硅片平 均厚度 已增加 到 7 7 5 I t m 与此相 反 为满 足 I C芯 片封装 的需要 提 高 I C尤其是功率 I C的可靠性 降低热阻 提高芯片 的散热能力和成品率 要求芯片厚度薄型化 芯片的 平均厚度每二年减少 1 2 目前芯片厚度已减小到 1 0 0 2 0 0 m 智能卡 ME MS 生物医学传感器等 I C芯片厚度已减到 1 0 0 m 以下 高密度 电子结构 的三维集成和立体封装芯片更是需要厚度小于 5 0 m超薄的硅片 硅片直径 厚度以及芯片厚度的变 化 趋势如 图 1所示 1 卧 量 1 9 6 0 l 册 1 嬲 O 1 9 9 o 舢 2 O l O 年份 年 图 1 硅片直径 厚度 以及芯片厚度的变化趋势 硅片直径和厚度的增大以及芯片厚度的减小给 半导体加工带来许多突出的技术问题 硅片直径增 大后 加工中翘曲变形 加工精度不易保证 原始硅 片厚度增大以及芯片厚度的减薄 使硅片背面减薄 加工的材料去除量增大 提高加工效率成为一个亟 待解决的问题 此外 随着直径的加大和减薄后厚度 的减小 脆性的硅片在装夹和加工 中很容易发生碎 裂 加工的难度加大 因此 直径 3 0 0 mm硅片 的加工工艺和设备不再是对 2 0 0 mm 以下硅片加工 工艺和设备的简单放大 而是发生了质的变化 现有 的小尺寸硅片加工工艺和设备 已不再适用 面临严 峻的挑战 3 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 造一前半制程一硅片测试一后半制程 整个过程中 要应用到微细加工和超精密加工等先进制造工艺和 设备 而其 中硅片的超精密加工 包括超精密磨削 研磨和抛光 工艺和设备在 I C制造过程中具有重要 作用 是 I C制造的关键技术 在单晶硅片制备阶段 需要将硅单 晶棒加工成 具 有高 面型精度 和表 面质 量的原 始硅 片或光 片 b a r e w a f e r 为 I C前半制程中的光刻等工序准备 平坦化超光滑无损伤的衬底表面 对直径 2 0 0 mm的硅片 传统的硅片加工工艺流程为 单晶生长 一切断一外径滚磨一平边或 V形槽处理一切片一 倒角一研磨一腐蚀一抛光一清洗一包装 3 1 单 晶生长 长成单晶硅棒的方法有 2 种 直拉法 C Z 和浮 融法 F Z 其 中 CZ法 占了约 8 5 C Z法之所 以 比 F Z法更普遍地应用于半导体工业 主要在于它的高 氧含 量提供 了晶片强化 另一方面是 C Z法 比 F Z法 更容易生产出大尺寸的单晶硅棒 3 2 切 断 目的是切除单晶硅棒的头部 尾部及超出客户 规格 的部分 将单晶硅棒分段成切片设备可 以处理 的长度 切取试片测量单晶硅棒的电阻率 含氧量 3 3 外径滚磨 由于单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也 比 最终抛光晶片所规定的直径规格大 通过外径滚磨 可以获得较为精确的直径 3 4 平边或 V形槽处理 定向基准平面加工 用单 晶硅棒上的特定结晶 方 向平边或 V形槽 3 5 切 片 将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄晶片 3 6 倒 角 指将切割成的晶片锐利边修整成圆弧形 防止 晶片边缘破裂及晶格缺陷产生 3 7 研 磨 通过研磨能除去切片和轮磨所造成的锯痕及表 面损伤层 可有效改善单晶硅片的翘曲度 平面度与 平行度 达到 1 个抛光过程可以处理的规格 硅片研磨加工质量直接影响到其抛光加工质量 及抛光工序的整体效率 甚至影响到 I C的性能 硅 片研磨加工模型如图 2 所示 单晶硅属于硬脆材料 对其进行研磨 磨料具有滚轧作用和微切削作用 材 料的破坏以微小破碎为主 要求研磨加工后 的理想 表面形态是由无数微小破碎痕迹构成的均匀无光泽 表面 硅片研磨时 重要的是控制裂纹的大小和均匀 运动方向 8 新技术新工艺 机械加 工与 自动化 图 2 硅片研磨模型 2 0 0 4年第 5期 维普资讯 程度 3 8 腐蚀 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 3 9抛光 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 1 粗抛主要作用是去除损伤层 一般去除量 约在 1 0 2 0 m 2 精抛 主要作用是改善晶片表面的微粗糙 程度 一般去除量在 1 m以下 抛光与研磨在磨料 和研具材料的选择上不同 抛光通常使用 1 m 以 下的微细磨粒 所用的抛光盘一般是软质的 它加给 磨料的作用力不能使工件产生微裂纹 其加工效果 主要是降低表面粗糙度 其加工模型如图 3 所示 目前采 用湿 式 机 械化 学 抛 光 法 进 行 硅 片 的 最 终 抛 光 加 工 即通 过 硅 表 面 氧化 膜 同软 质 抛 光 粉所 进 行 的 固 相 反 应 图3 硅片抛光加工模型 进行抛 光加工 硅 片的机 械化学抛光原理 如图 4所 示 它采用粒径为 0 0 1 肛 m大小的S iO 磨料微粉在 弱碱性溶液中均匀混合的胶状液作研磨剂 抛光布 通常采用微细表层结构的软质发泡聚氨基甲酸人造 革 在高速 高压抛光条件下 抛光布与硅片之间形 成封闭的抛光剂层 同时 在硅片表面形成软质水合 膜 抛光盘通过不断去除水合膜进行硅片的抛光 但 是 一旦抛光过程水合膜发生破裂 在硅片表面会产 生加工缺陷 不过 这种缺陷可以通过清洗和用去除 自然氧化膜的水溶液浸蚀等措施加以消除 安装夹具 图 4 硅片的机械化学抛光原理 4 大直径硅 片的制造技术 当硅片直径加大 3 0 0 mm 后 传统加工工 艺在面型精度和生产效率等方面的缺点将更加突 出 一方面 加工大直径硅片时 研磨和抛光盘尺寸 需要相应加大 而大尺寸的研磨盘很难达到很高的 面型精度 另一方面 硅片厚度增大使材料去除量增 加 而每盘加工大直径硅片的数量有限 因而使硅片 的产量减少 由于硅片传统加工工艺存在上述的缺 点 人们开始研究新原理 的加工技术 以改进工艺 适应大直径硅片的加工 主要的改进表现在 用多线 锯代替内圆金刚石锯片切割 基于固结磨料加工原 理的超精密磨削代替研磨和腐蚀 单片 C MP代替 多片 C MP等 硅片的超精密磨削与研磨相 比具有 加工效率高 成本低 可获得高面型精度和表面质 量 易实现加工过程在线检测 控制以及加工过程 自 动化等优点 目前广泛采用杯型金刚石砂轮端面磨 削 其中最具代表性的硅片超精密磨削技术是旋转 工作台磨削 图5 a 和硅片自旋转磨削 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 过真空吸盘夹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 t 与砂轮轴向进给速度 厂和硅片转速 关 系为 t f n 1 钢制 盘 a 旋转工作台磨削 b 硅片 自旋转磨削 图 5 硅片的超精密磨 削 硅片自旋转磨削法具有以下优点 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 由公式 1 可知 通过同 时提高硅片转速和砂轮轴向进给速度 可以在保持 3 1 0 清洗 与普通磨削同样的磨削深度情况下 达到较高的材 在单晶硅片加工过程 中很多步骤需要用到清 料去除率 适用于大余量磨削 洗 这里的清洗主要是抛光后的最终清洗 其 目的在 3 砂轮与硅片的接触长度 接触面积 切入角 于清除晶片表面所有的污染源 不变 磨削力恒定 加工状态稳定 可以避 转下页 新技术新工艺 机械加工与自动化 2 0 0 4 年 第 5 期 9 维普资讯 分布式多通道疲劳加载试验 系统的 体 系结构 与控制 方 法研 究 Th e Re s e a r c h o f Co n f i g u r a t i o n a n d Co n t r o l M e t h o d o f Fa t i g u e Te s t i n g M a c hi n e Ba s e d o n Di s t r i bu t e d M u l t i c h a n n e l s S y s t e m 北京航空航天大学机械工程及 自动化学院 1 0 0 0 8 3 胡 昌旭 满庆丰 夏继强 摘 要 在分析 了液压疲 劳试验机 系统的组成 和特性 的基 础上 对基 于 MODB US总线协议 的 分布式多通道疲劳试验加载系统的结构进行研究 并提 出了一种有针对性的系统控制策略 结 合液压疲劳试验机本身的加载特点 在常规 P I D控制算法的基础上加入 了分级加载拟人幅度 控 制方法 取得 了较好 的试验效 果 关键词 材料疲劳试验机 分布式控制系统P I D幅度控制 Mo D B US总线协议 Ke y wo r d s ma t e r i a l f a t i gu e t e s t i n g ma c h i n e d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m PI D a mp l i t u d e c o n t r o l MODBUS f i e l d b u s p r o t o c o l 在机械产品的研制和生产过程 中 对于产品中 目前 国外试验机行业的一些知名公司 均已推 一 些重要的尤其是大型复杂的关键零部件 在经过 出其代表性的数字控制疲劳试验系统 完成 了模控 周密设计和加工完之后 为了保证其在使用过程中 技术向数控技术的转化 推出的控制系统实现了仪 的安全和可靠性 通常需要让试件在模拟实际受力 器虚拟 人工智能 组态模块以及网络连接等功能 和承载状况下进行疲劳 破坏 试验 以便给出使用 但一般价格都比较 昂贵 其安装调试和维护的费用 寿命 一般情况下 简单的单体试件只需要加载单一 也相当高 国内电液伺服疲劳试验机和国际水平还 的载荷 如拉压 扭转等 而对于复杂的构件 例如飞 有差距 主要表现在 1 大多数疲劳试验机都是单 机的整体破坏试验 汽车的整车载荷试验等 要求试 机系统 难以实现多通道同时协调加载 2 试验台 验过程是复合多点加载 各载荷之间有一定的对应 架是固定的 只能对一定尺寸或形状确定的试件进 关系和变化规律 因此 要求疲劳加载试验系统必须 行疲劳试验 一旦试件 的尺寸 形状改变 便不能进 能够完成多通道协调加载 行试验 3 现有疲劳试验机的加载控制多采用经典 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛 盛