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2030m粗糙度：大幅减小，大约还有1020m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=(12):(57):(12)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0.60.8um/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8090，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：25um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1020um。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（70802030m）粗糙度：大幅度降低（30401020m）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V机械抛光工艺改善方案：降低PH值提高转速提高压力,硅片抛光的其它方法,(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，存在较厚损伤层（工作时压力造成）。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。另外，气相腐蚀是一种较好的干法腐蚀法。,本章作业,简述化学减薄的两种方法和减薄的意义目前硅片表面抛光的主流方法及其原理。碱性SiO2的CMP抛光中的机械和化学作用。目前CMP抛光的方式有哪几种(硅片固定)及简介。抛光垫的主要性能指标有哪些。抛光浆液的组成及组分在抛光中的作用。理想抛光时的公式意义P114.影响CMP抛光效果的因素有哪些。为逐渐提高表面参数，通过控制哪些参数实现。抛光片的主要表面缺陷有哪些。橘皮和雾的概念，及其出现的原因。,第三章作业,硅片倒角、研磨的目的和意义（作用）。研磨的机理有哪些P77。研磨浆（磨削液和磨粒）的作用有哪些。硅