CH4 硅片加工-表面抛光

上章内容回顾 加工的对象 硅切割片加工的过程 倒角 研磨 热处理加工的目的 倒角 1 防止崩边 2 热处理过程中 释放应力负面效应 形成边缘应力 研磨 减薄表面损伤层 为进一步抛光创造条件负面效应 形成面内螺旋式应力分布 热处理 1 消除热施主 2 释放应力 三种工艺的前后顺序不能颠倒 为何是对硅片 而不对硅锭 进行热处理 1 大块单晶不容易均匀受热 加热后易发生崩裂 热膨胀系数各向异性的 而硅片尺寸小 散热快 不易于崩裂 2 对硅片热处理 可以消除倒角和磨片过程中形成的应力 加工效果的评估 损伤层 大幅减薄 大约还有20 30 m粗糙度 大幅减小 大约还有10 20 m应力 内部已经消除电阻率温度稳定性 较好 消除了热施主杂质污染 存在不可避免的金属等污染 一般在浅表层 待进一步加工 损伤层 粗糙度 洁净抛光清洗 下一章的工艺 硅片的表面抛光 进一步提高硅片表面的平整度 第四章硅片表面的抛光技术 主要内容 1 抛光片的特性参数 2 抛光的基本流程 化学减薄 抛光 3 典型的抛光方法 CMPCMP ChemicalMechanismpolish4 抛光的工艺流程 硅片抛光的意义 硅加工中 多线切割 研磨等加工过程中 会在表面形成损伤层 从而使得表面有一定粗糙度 抛光就是在磨片基础上 通过化学机械研磨方式 进一步获得更光滑 平整的硅单晶表面的过程 研磨片粗糙度 抛光前 10 20um抛光片粗糙度 抛光后 几十nm 研磨片 抛光片 研磨和抛光中关注的参数 研磨片 一定厚度的薄片 是一种体材料 只关注某些体的特征参数 如厚度 翘曲度 和表面的参数 如崩边 抛光片 有光滑表面的硅片 主要关注加工的硅表面的特征参数 1 抛光片的特性参数 1 硅片的理想状态2 硅片表面的平整度3 硅片表面的缺陷 1 硅片理想状态 硅片的理想状态 a 硅片上 下表面之间 对应的测量点的垂直距离完全一致 且任意表面均与理想平面相平行 b 硅片表面晶格完整 所有非饱和的悬挂键位于表面的二维平面内 c 无杂质污染 无各种晶体缺陷 理想平面 指几何学上的理想的 完美的平整平面 Si 俯视 斜视 平视 悬挂键 若干原子层平面 理想平面 2 硅抛光片表面的平整度 定义 标志表面的平整性 指硅片表面与理想基准平面的最大偏离 描述平整度的两个参数 a 总指示读数 TIR 硅片抛光表面最高点和最低点之差 即峰谷差值 只为正值 b 焦平面偏差 FPD 表面最高点和最低点二者中 偏离基准平面的最大值 可以是正或负值 TIR和FPD的示意图 上抛光面 最凹点 最凸点 TIR值 如12um FPD值如 8um 基准面 抛光片的其它参数 抛光片的其它参数 厚度 总厚度变化 弯曲度 翘曲度等硅片厚度 硅片中心点位置的厚度 总厚度变化TTV 最大与最小厚度的差值TTV Tmax Tmin 弯曲度和翘曲度 弯曲度 是硅片中线面凹凸形变的最大尺寸 翘曲度 硅片中线面与一基准平面之间的最大距离与最小距离的差值 硅片的中线面 也称中心面 即硅片正 反面间等距离点组成的面 即中心层剖面 弯曲度 弯曲度 基准面 单向翘曲 下界面 上界面 A点 在A点 中线面和基准平面的距离最大 x2 x1 d 最小距离 反向翘曲时 此值为负值 翘曲度 双向翘曲 基准面 x2 x1 x3 x4 翘曲度 3 硅抛光片的表面缺陷 缺陷的种类 a 和研磨片类似的缺陷 崩边 缺口 裂纹等b 特有的表面缺陷 划痕 凹坑 波纹 沾污 色斑 橘皮 雾 氧化层错 涡旋 电阻率条纹等 划痕 研磨颗粒划出的狭长的沟槽 一般不会很深 重划痕 0 12um 凹坑 表面上的凹陷小坑波纹 大面积的 肉眼可见的 类似波纹的不平坦区 沾污 吸附于表面的各种污染颗粒 色斑 化学性沾污 橘皮 大面积的 大量突起小丘的群体 雾 大面积的 大量不规则缺陷 如小坑 引起的光散射现象 常常形成雾状 2 抛光前的化学减薄 1 化学减薄的作用 2 化学减薄的方法 3 化学减薄的工艺流程 1 化学减薄与作用 定义 采用化学腐蚀的方法 将硅片表面进行化学剥离 从而减薄损伤层 为抛光创造条件 化学减薄的作用 减少抛光过程的去除层厚度 使硅片表面洁净 去除表层 消除内应力 去除损伤层 化学减薄的作用 化学减薄平面 杂质原子 抛光面 张应力 挤压应力 Si 2 化学减薄的方法 a 酸性腐蚀b 碱性腐蚀 酸性腐蚀 腐蚀液组成 HF HNO3 HAc 乙酸 1 2 5 7 1 2 反应的特点 优点 反应速度快 过程中放热 不需要加热 典型速度0 6 0 8um s 缺点 反应生成的氮化物 污染环境 酸腐蚀的机理 硅的酸性腐蚀减薄机理 硅被HNO3氧化 反应为 用HF去除SiO2层 反应为 总反应为 污染物 碱性腐蚀 腐蚀液组成 NaOH KOH H2O浓度15 40 反应的特点优点 反应需加温度 一般80 90 速度比较慢 易控制 废液也易处理 缺点 反应是纵向反应 易向深层腐蚀 容易形成表面粗糙度增加 残余碱不易去除 碱性腐蚀机理 硅的碱性腐蚀减薄机理 3 化学减薄的工艺过程 准备工作 化学腐蚀 送检验 冲洗甩干 厚度分选 准备工作 配腐蚀液 开通风橱 准备冲洗水等 厚度分选 2 5um分档 比如 d和d 6um属于两个种类 腐蚀过程 控制温度 时间 腐蚀层一般10 20um 冲洗甩干 用大量水将硅片冲洗 并甩干 送检 3 硅片抛光的方法 1 机械抛光 2 化学抛光 3 化学机械抛光 CMP技术 1 机械抛光 方法 抛光液的磨料对硅片表面进行机械摩擦 而实现对表面的抛光 研磨浆组成 Al2O3 MgO SiC等磨粒 水优点与缺点 优点 抛光速度快 缺点 表面质量不高 粗糙化 划痕严重 地位 最早期的硅片抛光技术 目前已经被淘汰 2 化学抛光 方法 利用化学试剂对硅片表面进行化学腐蚀 来进行抛光 包括 液相 气相腐蚀 电解抛光等 缺点 不利于控制抛光速度和深度 不利于获得大面积 高度平整度抛光面 地位 可以进行特种抛光 如小面积平整化 非规则表面抛光 而不利于大面积平整化的硅片抛光 3 化学机械抛光 方法 碱与表面的硅 氧化硅 发生化学反应 生产可溶性的硅酸盐 Na2SiO3 再通过SiO2胶粒和抛光布垫的机械摩擦进行去除 抛光过程包括 化学反应 机械去除 再反应 再去除 是一种化学作用和机械作用相结合的抛光工艺 优点 包含了机械和化学抛光的双重优点 地位 目前主流的硅片抛光工艺 也是唯一一种大面积平整化的抛光工艺 我们主要介绍碱性SiO2CMP抛光 内容回顾 硅片研磨 硅片研磨之后的效果 损伤层 大幅度减薄 70 80 20 30 m 粗糙度 大幅度降低 30 40 10 20 m 然而硅片的表面参数 仍待进一步提高 不断减小的电子线宽 要求更低的粗糙度 理想的硅片 要求消除损伤层 抛光 抛光 实现100nm以下粗糙度 需要新的抛光原理 思考 为何减小磨粒的研磨方式 无法实现高精度抛光 单位时间滚过的面积 粗糙区 平整化 新粗糙化 粗糙区域和单晶平整区域的机械强度差别越大 最终加工出的表面越平整 平整区 研磨颗粒 理想抛光的必要条件 理想抛光的必要条件 粗糙区域机械强度很差 极易擦除 平坦的单晶区机械强度足够大 不易擦除 方案 降低粗糙区域的机械强度粗糙区硬度 磨粒硬度 单晶硬度化学机械抛光 CMPCMP ChemicalMechanicalpolishing 研磨片 抛光片 4 3硅片的化学机械抛光 1 化学机械抛光简介2 化学机械抛光的基本原理3 化学机械抛光的设备结构4 化学机械抛光的工艺流程5 化学机械抛光的影响因素6 化学机械抛光的效果评估 判断工艺缺陷 1 化学机械抛光简介 地位 是1965年提出的一种抛光方案 过程中兼有化学 机械作用的优点 可以在较大范围内实现极高的表面平整度 是目前唯一的大面积表面平坦化的抛光技术 硅片抛光工艺 普遍采用碱性SiO2的化学机械抛光 可以在12 18英寸硅片上实现100纳米以下的粗糙度 CMP过程 抛光液中的碱与硅表层发生化学反应 并生成较疏松的硅酸盐 粘附在表层 阻碍深层反应 再通过SiO2胶粒和抛光布垫的机械摩擦而脱离表面 从而实现表层剥离 此过程反复进行 从而对硅片逐层剥离 并实现对硅片的高精度抛光 主要特点 化学反应 机械去除 再反应 再去除 是一种化学作用和机械作用相结合的抛光工艺 二者互相控制 优点 包含了机械 化学抛光的双重优点 速度快 均匀性好 化学机械抛光示意图 夹持头 抛光液 硅片 抛光垫 陶瓷板 水路 抛光垫 抛光区示意图 压力 硅片 磨料 压力 CMP主要技术指标 抛光液的组成与原理 抛光垫材料结构和温度控制 硅片的固定和运动方式 抛光液的输运和温度控制 抛光底盘的运动和温度控制 抛光界面的稳定性 硅片运动平整 压力均衡 抛光垫平整等 2 化学机械抛光的原理 1 抛光液的组成和特点 2 抛光垫的结构和特点 3 抛光过程中的化学和机械作用化学作用机械作用 碱性SiO2抛光液 SiO2胶粒 1 抛光液的组成与特点 简介 碱性SiO2抛光液 是均匀分散SiO2胶粒的乳白色胶体 成碱性 PH 8 11 胶粒大小 PH大小等参数和型号有关 组成 研磨剂 SiO2胶粒 碱 去离子水 表面活性剂 氧化剂 稳定剂等 理想效果 在使用中 保持稳定的胶体状态 均匀分散 不团聚 有稳定的腐蚀速率 主要挑战 腐蚀物颗粒混入 温度升高 PH值不稳定 腐蚀速率不稳定等 各组分的作用 SiO2胶粒 机械摩擦和吸附腐蚀产物 硬度适当 擦除腐蚀产物 不破坏未腐蚀区纳米尺寸 20 100nm 和抛光液型号有关 碱性 一般是有机碱类 比如有机胺类 抛光中进行腐蚀 防止金属离子K Na 引入 和某些金属形成络合物 除去金属 氧化剂 用于加快腐蚀速率 表层的Si和碱反应较慢 而SiO2和碱反应较快 氧化剂可以将表层Si氧化 从而获得较快腐蚀速度 表面活性剂 分散不溶性颗粒 防止聚集沉淀 活性剂分子一端亲颗粒 一端亲溶剂 这样活性剂分子包围颗粒 而彼此互相排斥 从而颗粒易于被溶剂浸润 不会凝聚 油脂 表面活性剂分子 溶剂水 表面活性剂 亲水 亲油 排斥 抛光液的主要作用 抛光液的主要作用 抛光 腐蚀 研磨 吸附反应物润滑作用冷却降温冲洗排渣 抛光液的主要参数 抛光液的主要参数包括 SiO2胶粒形状和硬度SiO2胶粒平均尺寸 粗糙度 摩擦力抛光液的PH值 腐蚀速率抛光液分散的稳定性 抛光中不团聚抛光液的纯度 金属含量 Cu Al Fe 2 抛光垫 材料 是一种具有一定弹性 而疏松多孔的材料 一般是聚氨酯类材料 典型材料 聚氨酯发泡固化抛光垫主要作用 存储和传输抛光液 对硅片提供稳定的压力 对硅片表面进行机械摩擦 聚氨酯抛光垫微观结构 抛光垫整体结构 压敏胶粘结 底盘 高度平整表面 3 抛光中的化学和机械作用 化学作用 碱对硅的腐蚀作用 腐蚀速率腐蚀物对金属杂质的吸附作用 除污染SiO2胶粒 小 对腐蚀物的吸附作用 吸除碱性的金属络合作用 除污染机械作用 SiO2胶粒 大 的摩擦作用抛光垫的摩擦作用 擦除 a 碱对硅的腐蚀作用硅片表面是损伤层 存在非单晶Si和SiO2薄层Si 2OH H2O SiO32 H2 SiO2 2OH SiO32 H2Ob 胶粒 小 的吸附作用较小的SiO2胶粒具有较强的吸附作用 可以吸附腐蚀的产物 使其脱离硅片表面 c 碱的络合作用有机碱分子和某些重金属反应 生成络合物 化学作用 机械作用 抛光垫和胶粒 大 的机械作用 较大SiO2胶粒和抛光垫 对硅片表面有机械摩擦作用 从而使腐蚀出的产物脱离硅片表面 并最终去除 CMP的去除过程 腐蚀 大胶粒摩擦 粘于表面 小胶粒吸附 脱离表面 剥离 抛光垫摩擦 化学 机械作用的关系 CMP中 化学与机械作用应相匹配化学作用腐蚀硅表面薄层 机械作用擦除的是被腐蚀的部分 理想的抛光 腐蚀速率 擦除 吸附 速率 抛光速率试思考 该如何控制抛光的精度 高精密度获得 多步CMP抛光 粗抛光 细抛光 精抛光 最终抛光 去损伤层15um 定点平坦化干化学等离子刻蚀 去雾1um 平坦化5um 抛光精度控制原理 3 设备种类与结构 主要设备种类 有蜡单面抛光机无蜡单面抛光机无蜡双面抛光机 有蜡抛光 利用蜡将硅片的一面粘结固定在陶瓷板上 而对另一面进行抛光无蜡单面抛光 利用表面张力将硅片和载体板吸附在一起 再进行抛光 无蜡单面抛光 整体结构类似研磨 上下磨盘 中间载体 载体中间的空隙用于防止硅片 1 有蜡抛光 优点是表面抛光效果较好 缺点需要增加去蜡和清洗的工艺 2 无蜡抛光 优点是避免了蜡的污染 缺点是抛光精度略有降低 单面抛效果优于双面抛光 大尺寸硅片多采用有蜡抛光 而无蜡抛光适用于小尺寸硅片 各种抛光的特点 1 有蜡单面抛光机 硅片的固定方式 蜡 陶瓷板 固定硅片流程 1 加热陶瓷板 耐高温2 在热的陶瓷板上 喷涂 离心 蜡 使其融化 并均匀覆盖 3 将硅片均匀按压于蜡上 静置 2 无蜡单面抛光机 衬垫 陶瓷板 衬板 水膜吸附 3 双面硅片抛光机 典型设备商 德国彼特沃尔特斯公司PeterWolters网址http www peter 底盘 冷却系统 载体的行星式运动 硅片位置 4 抛光的工艺步骤 抛前准备 粗抛 厚度分选 粘片 精抛 取片 结束 1 抛光前准备a 动力 电源 水压 气压等b 硅片装载具c 抛光布垫d 抛光液e 清洗设备2 厚度分选与装载 典型上机 有蜡 抛光 抛光过程中 是通过降低抛光液PH值 降低压力 缩短抛光时间等手段 逐步获得高精密的抛光表面 4 取片有蜡抛光 将硅片和陶瓷板擦干净 然后加热 使蜡融化 然后用镊子取下硅片 无蜡抛光 将硅片用水冲洗干净 用吸笔将硅片取下 放入清洗池中 理想的抛光的状态 速率 理想的抛光状态 单位时间的腐蚀速率等于单位时间的去除速率 这就保证腐蚀的部分完全被去除 而未腐蚀部分不被去除 而去除包括机械擦除和静电吸收两部分 如果 V1腐蚀速率 V2擦除速率 V3吸除速率那么 V1 V2 V3 V 抛光速率 而V2 BpK h n1 n2 V3 Cqsdr则 V V1 V2 V3 BpKuh n1 n2 CqsdrB 摩擦因子 p 压强 K 反应速率 摩擦系数 h 硬度 n 转速 C 吸附常数 r 磨粒直径 d 浓度 s比表面积 q 表面电荷密度表达式意义 V2和摩擦有关 V3和研磨液的SiO2颗粒性质有关 可调整的抛光速率的因素 压强p 反应速率K PH值相关 转速n 抛光速率 磨削作用 腐蚀速率 PH值 温度 压强 转速 SiO2纯度尺寸硬度 抛光垫结构如弹性 负载能力等 5 影响抛光速率的因素 1 抛光压力一般来说 压力越大 抛光速率越快 但是压力足够大时 抛光速率会略微下降 原因是压力大 抛光垫承载抛光液能力下降 另外 压力大易形成破片现象 所以 应控制抛光的压力 控制原则 抛光时 抛光速率和效果并重 在保证抛光效果的前提下 希望提高抛光的速率 也就是说 效果第一 速率第二 抛光压力的分阶段化控制 2 抛光温度温度和反应速率有关 温度越高 则反应速率越快 抛光温度的选择 满足两点要求 方便加工 即不做额外控温 反应速率不过快 温度一般在室温25 30 左右 事实上 温度和其它参数相关 比如反应速率是温度和PH值的函数 v v T PH 因此 需要选择室温下合适的反应速率 这就规定了PH值的范围 3 PH值一定温度下 PH值越高 碱性越强 反应速率越快 随着粗抛到精抛 PH值逐渐降低 其选择要满足室温下反应速率的要求 为达到相同的反应速率 可以取低PH值 室温反应 也可以采取较高PH值 在低温反应 4 硅片晶体结构腐蚀速率和机械性能的各向异性 即和晶体取向有关 原子面密度越大 越难抛光 Si 111 面最难抛光 100 面最易抛光 5 摩擦力f表达式 f p其中 是摩擦系数 p是压强大小摩擦力越大 抛光速率会越大 但是过大的摩擦力会增加表面划痕碎片等损伤概率 摩擦发热导致抛光液温度升高 而影响腐蚀速率 因此应选择合适的摩擦力大小 摩擦力大小的因素 硅片表面粗糙度 抛光垫的表面粗糙度 研磨浆负载能力 SiO2状况 颗粒大小和表面形状等 抛光液的浓度 研磨的转速等等 摩擦力的调节方法 可以通过压强的大小 转速大小来调节 与CMP相关的主要参数 1 温度 2 PH值 3 压力 4 摩擦力 和抛光垫和硅片表面结构 SiO2尺寸分布 转速 流量等有关 过程中通过压力来调节 5 转速 6 抛光液流量总之 抛光时要兼顾抛光速率和抛光效果两个方面 各个参数应当互相匹配 随着从粗抛到精抛 抛光速率逐渐下降 采取的措施是 降低PH值 即降低反应速率 减小压力 降低转速等等 不能片面追求抛光速率 而不顾抛光质量 总结 6 抛光的效果评估 1 几何特征 2 表面性能 3 热氧化缺陷 1 几何特征在硅片的不同的点上 硅片厚度的一致性和平整性 主要侧重于硅片的体性能 影响因素 硅片厚度分选 抛光时硅片转动的平面化程度 比如硅片进行非水平面转动 抛光表面易弯曲 厚度一致的表征参数 TTV Tmax Tmin平整性表征参数 全局 局部平整度 Tmax Tmin 2 硅片的表面特征崩边 缺口 裂纹 机械运动不稳定造成 可以改进设备完全消除 划痕 机械摩擦造成 比如SiO2外形粗糙 存在尖锐边缘 橘皮 大面积的凸起小丘 形成原因是 腐蚀速率过慢 而小于摩擦去除的速率 雾 大面积的小的凹陷坑 是腐蚀速率过快形成 3 硅片的热氧化缺陷热氧化缺陷指 抛光片在热氧化以后可以看到的缺陷 典型抛光缺陷分析 1 橘皮出现原因 2 雾的出现原因 化学腐蚀和机械摩擦的作用 化学腐蚀 深层腐蚀 倾向先形成小尺寸凹坑 然后凹坑扩大并连接 最终扩大为腐蚀凹面 机械摩擦 抛光垫的平面性摩擦 和较大SiO2胶粒的摩擦 橘皮 橘皮 大量的不规则的小丘状突起 产生原因 机械作用过快 大于腐蚀速率 V机械 V腐蚀抛光工艺改善方案 提高PH值 降低转速降低压力