硅材料的加工

1、第第六六 章章 硅材料加工硅材料加工外径滚磨外径滚磨磨定位标志磨定位标志切片切片倒角倒角切头去尾切头去尾单晶生长单晶生长研磨研磨腐蚀腐蚀热处理热处理背面损伤背面损伤抛光抛光清洗清洗检验检验包装包装硅材料加工的基本流程示意硅材料加工的基本流程示意切头去尾切头去尾v目的：利用外圆切割（OD）机、带锯或内圆切割（ID）机切去单晶锭的头尾非等径部分，以及不符合产品要求的部分；同时切取供检验单晶锭参数的检验片，并按规定长度将晶锭分段。v外圆切割机的刀具是在金属片的外圆边镀上一层金刚石颗粒，在刀片旋转的过程中将晶锭切断。缺陷是：晶体直径越大外圆刀片的直径也越大，刀片厚度也越大，晶体损失也越大。、v带锯和内

2、圆切片的刀具是在其刀刃上镀上一层金刚石颗粒，用刀具的运动进行切割。优势：节省原料。v对太阳能电池用单晶硅切头去尾时要注意切断面与晶锭轴线尽量垂直，以利于多线切方。v切割时必须要用水冷却，即可带走热量又可带走切屑。 外径滚磨外径滚磨v生长的单晶直径一般来说都比需要的加工的晶片大24mm，而且有的单晶特别是晶向生长的单晶，晶棱可能成为一个小面，因此需要对晶体进行外径滚磨，使之成为标准的圆柱体。v注意事项：晶锭一定要固定牢靠，且要对中精确；每次磨去的厚度不要太大。 v为了减小损伤层厚度，先用粗颗粒磨轮磨，（粒度小于100#），后用细颗粒磨轮磨（粒度介于200#400#）。用水冷却，带走热量磨屑。 磨

3、定位面（槽）磨定位面（槽）v用于制作集成电路（IC）等的硅片，需要磨定位面或定位槽（V形槽）。用于制作二极管、可控硅及太阳能电池等的硅片，无需有定位面。v磨定位面或定位槽是在装有X射线定向仪的外径滚磨机上进行的。v一般磨两个面， 一个较宽的面（110）面，称为主平面， 作为对硅片定位用；另一个平面较窄，称为次平面，标识晶锭的晶向和型号。v对用于太阳能电池的硅单晶不需磨定位面，但需要切方锭。浇铸的多晶硅锭也需要开方，并去掉不符合使用要求的顶层和底层部分。v切方可用带锯也可用多线切方机。 切片切片v切片就是将晶锭切成规定厚度的硅片。v两种方式：内圆切割和线切割。v内圆切割内圆切割：刀片是用不锈钢制

4、作的，在内径边沿镀有金刚石颗粒做成刀刃，将刀刃装在切片机的刀座上，施以各向均匀的张力，使刀片平直。将晶锭先用黏结剂粘在载体上，载体板面具有与晶锭外圆同样的弧形，然后将载体与晶体一起固定在切片机上，设定好片厚度及进刀速度后使内圆刀片高速旋转，从硅锭一端切出一片硅片，重复操作，将整支晶锭切出等厚度的硅片。切完后将其取下浸入热水中，除去黏结剂。v注意事项：1、调整好刀片的张力调整好刀片的张力v施加张力可用水压方式和机械方式两种。v理论上水压优于机械，但是设备经常出现渗漏和降压问题而影响张力吗，一般采用机械方式。v机械方式采用螺丝固定方式，一般利用测量刀片内径的变化来判断施加在刀片上的张力是否均衡。摩

5、擦力和热会影响张力状况，需及时调整。v2、修整刀片修整刀片v刀片上的金刚石颗粒各方向的磨损不会是均衡的，可能引起非直线切割，对磨损较弱的一方必须用约320粒度的氧化铝磨棒来进行修整。v3、保证冷却水畅通、保证冷却水畅通v切割处一直要用冷却水冲淋，冷却水既可以带走切屑（硅粉）又能带走切割时产生热量。一般选用自来水。v多线切割多线切割：自由研磨剂切削方式，机子使用钢线由送线轮开始缠绕，再绕过安装柄杆（安装柄杆上有很多等距离的沟槽），从柄杆出来的线，最终回到回线导轮上。v切割时钢线上喷洒由油剂和碳化硅混合而成的浆料，浆料既是研磨剂又是冷却剂。张力要适当 v浆料可以回收经处理后再使用，但必须保证浆料的

6、粘稠度、油剂不得变质等。浆料中的研磨粉粒度一般用800#，加工直径300mm的硅片用1500#1800#，硬度高价格不贵。v线切割的片厚由安装柄杆上沟槽的间距决定，其切割速度主要由导线的抽动速度及导线施加于晶锭上的力量决定。 多线切割与内圆切割的比较多线切割与内圆切割的比较:v1.多线切割损耗晶体少v2.多线切割的晶片表面损伤层薄。厚片损伤层可通过研磨来消除，但损伤较大；而对薄片来说，研磨的碎片率会很高，损伤很大。v3.多线切割片可以直接用来制作太阳能电池、高压硅堆、二极管等，而无需研磨。内圆切割片则需要研磨后才能使用。v4.多线切割片的技术参数由于内圆切割，有利于加工高质量的抛光片。v5.多

7、线切割的生产效率高，一次可以切出几千片，而内圆切割只能一片一片地切。v6.多线切割机可以加工直径200mm以上的晶体，而内圆切割只能加工直径200mm一下的晶体。v7.多线切割的钢线的不良状态难以发现，也无法修整，当钢线内部存在0.25m的缺陷时，在加工过程中就极易断裂，一旦断裂加工中的晶体全报废，损伤较大。而内圆切割则可预先测出刀片的不良状态并予以修整。对小直径晶体而言，内圆切割应用更广泛。v8.多线切割消耗品的费用比内圆切割高，大约在两倍以上。v总的来说加工大直径的晶体多线切割较好，总的来说加工大直径的晶体多线切割较好，单位成本比内切割低单位成本比内切割低20%以上，加工小直径以上，加工小

8、直径的晶体采用内圆切割更有利。的晶体采用内圆切割更有利。 晶片的技术参数晶片的技术参数v1、晶片的晶向、晶片的晶向v按照客户的要求调整好晶向的偏离度数。v2、晶片的总厚度偏差（、晶片的总厚度偏差（TTV）vTTV是指晶圆最大与最小厚度之差。使用多线切割机切直径200mm的晶片，TTV可控制在20 m以下。v3 3、翘曲度（、翘曲度（WarpWarp）v翘曲度定义为参考平面至晶片中心平面最大距离与最小距离只差。使用多线切割机切直径 200mm的晶片，Warp可控制在40 m以内。v4、弯曲度（、弯曲度（Bow）v表征晶片的凹状或凸状变形程度的指标。vBow=(a-b)/2v多线切割的弯曲度几乎为

9、0. 倒角（圆边）倒角（圆边）v切片的硅片具有锐利的边缘。但是在器件制作过程中，转移和热过程极易造成晶片崩边和产生位错及滑移线等缺陷，崩边产生的碎晶粒还会划伤晶片，造成器件制作的高不良率。若用以生长外延片，因锐角区域的生长速率比平面处高，造成边缘区域突出。为了改善将锐边磨成弧形为了改善将锐边磨成弧形，即对晶圆边进行倒即对晶圆边进行倒角处理角处理。v倒角可用化学腐蚀及轮磨等方式来实现，因化学腐蚀控制较难，且易造成环境污染，一般采用轮磨方式。轮磨的边缘用圆形和梯形两种。v倒角机一般是自动化的。倒角机的磨轮具有与晶片边缘形状相同的沟槽，沟槽内镶有金刚石颗粒。晶片被固定在真空吸盘上，磨轮高速旋转，晶片

10、慢速旋转。磨轮对晶片的研磨力是可控的，可使倒角达到最佳效果。 研磨研磨v切割出的晶片技术参数较差，表面的损伤层较厚，达不到用以制作抛光片和一些元件制作的要求，必须通过研磨来改善晶片的技术参数和消除切片的刀痕及损伤层。较常用双面研磨机。研磨机的组成研磨机的组成：两个反向旋转地上下研磨盘；整个置于上下磨盘之间用以承载晶片的载具；用以供给研磨浆料的设备v1.上下研磨盘上下研磨盘v用球状石墨铸铁制成，140280HB（布式硬度），粒径2050 m，密度为12080颗/ .石墨的颗粒粒度随纵深而增大，密度则减小。之所以选用球状石墨铸铁是因为它具有合适的硬度和耐磨性。太软，浆料会嵌入磨盘内，造成晶片划伤；

11、太硬，浆料颗粒挤向晶片，造成晶片损伤。v研磨盘上具有一些垂直交错的沟槽。可使研磨浆料分布均匀，也能及时排出磨屑和磨浆。上磨盘的沟槽细而密是为了减少晶片与研磨盘之间的吸附作用，利于研磨结束晶片的取出。3cmv2. 载具载具v用以承载硅片的载体。人工放置。v弹簧钢制成，晶片安置在载具的圆洞中，直径略大于晶片直径。由内外环的齿轮带动。v3. 研磨浆料研磨浆料v主要成分：氧化铝、锆砂或金刚砂、水及界面湿性悬浮剂。氧化铝的粒度在610 m，韧性、硬度较碳化硅好，普遍采用。由上磨盘注入。 研磨操作：研磨操作：v主要控制磨盘速度与施加于磨盘上的压力。初始阶段，有小慢慢增加，使浆料均匀散开，有利于去除镜片上的

12、突出点。若压力太大力量集中在突出点晶片易破裂。稳定状态。结束阶段压力慢慢降低。v修整修整: :v一、用铸铁修整盘对上下磨盘同时进行修整，形状与载具相同。v二、上下磨盘直接相互研磨 腐蚀腐蚀v若需抛光加工就需要对研磨片进行腐蚀处理。通常采用化学腐蚀。分为酸腐蚀和碱腐蚀两种。v酸腐蚀酸腐蚀：等方向性腐蚀，腐蚀液由不同比例的硝酸、氢氟酸及缓冲液配制而成。硝酸硝酸是氧化作用，氢氟氢氟酸酸是溶解二氧化硅，体积比为5:1。v缓冲液缓冲液具有缓冲腐蚀速率的作用，还有改善晶片表面的湿化程度，避免产生不规则的腐蚀结构。缓冲液一般采用磷酸或醋酸，醋酸极易挥发，在腐蚀液中的浓度不易稳定，磷酸会降低腐蚀速率。 注意事

13、项：注意事项： v1、腐蚀界面层的厚度影响着分子的扩散，从而影响腐蚀速率，一般采用晶片旋转及打入气泡等方式进行搅拌，减小反应层厚度。v2、腐蚀温度一般控制在1824,过高的温度有可能使金属杂质扩散进入晶片表面。v3、腐蚀器件为聚二氟乙烯制成。v4、腐蚀完成后，要快速进行冲洗，转移时间控制在2s以内 碱腐蚀碱腐蚀v是一种非等方向性的腐蚀，腐蚀速率与晶片的结晶方向有关。（111）晶面具有较小的自由基不易被-OH腐蚀。腐蚀剂为KOH或者NaOH。vKOH的浓度控制在30%50%，反应温度为60120。腐蚀速度随浓度的增加而增加，达到最大值后，会随KOH浓度的增加而减小。浓度较高时，不仅有利于控制腐蚀

14、速率，因黏度较高，也使晶片上比较不易留下斑点。温度对斑点的产生、金属杂质的污染和腐蚀速率等都有影响。温度越高，不易留下斑点，但是金属污染的机会越大。v碱腐蚀与晶片表面的机械损伤程度有关，一旦损伤层完全去除，腐蚀速率就会变缓慢。 酸碱腐蚀的比较酸碱腐蚀的比较 抛光抛光v制作集成电路的硅片必须进行晶圆表面及边沿的抛光，抛光采用化学机械方式。v边沿抛光的目的是降低边沿附着微粒的可能性，并使晶片在集成电路制作过程中减少崩边损坏v表面抛光的目的是改善表面的技术参数，提高表面性能，以满足集成电路制作的需要。v步骤：粗抛和精抛v粗抛的主要作用是为去除磨片的损伤层，去除量为1020 m.v精抛的主要作用是改善

15、晶片的粗糙程度，去除量不足1m。 12.8.1 边沿抛光边沿抛光v边沿抛光的形状有圆形和梯形两种，一般采用梯形。v抛光方式有两种：一种是将旋转的倾斜的硅片加压与旋转中的抛光布接触，抛光布是粘在一圆筒上的，晶圆由吸盘固定，先抛一面再翻转抛另一面。成本低但可能刮伤抛光布，造成晶圆破裂。另一种是用发泡固化的聚氨酯制作的两个抛光轮，其中一个有如干沟槽，沟槽形状与抛光片边沿吻合，用该抛光轮抛光上下两个侧面，用另一个无沟槽的抛光轮抛光中间的平面，抛光液为喷洒方式，用量较大。v边沿抛光后要马上清洗并进行目测，检查是否有缺口、裂纹、污染物存在。 晶圆表面抛光晶圆表面抛光v直径较小的晶圆采用批次抛光，一次抛若干

16、片，2040min；大直径晶圆采用单片抛光，34minv从抛光面数来分，分为单面抛光和双面抛光v原理原理：抛光液由含有SiO2微细颗粒的悬浮硅酸胶及NaOH 组成。由化学和机械双重作用。化学作用化学作用：碱液中氢氧根氧化晶圆表面生成二氧化硅OHSiOOHSiOHSiOHSi2442)()(42 机械作用机械作用：利用抛光垫、硅酸胶与晶圆的机械摩擦 去除氧化层及提供腐蚀氧化反应的动力。 最佳状态是最佳状态是机械力和化学力二者处于平衡状态。v有蜡抛光和无蜡抛光有蜡抛光和无蜡抛光v有蜡抛光有蜡抛光就是用热塑性的蜡将晶圆固定在平坦载具盘上进行抛光。v具体操作具体操作是将一层厚度510 m的蜡均匀涂在高

17、速旋转（300400r/min）的载具盘上，将蜡加热到90100软化，利用真空加压使晶圆黏在载具盘上。如操作不好将影响抛光片的平整度或表面缺陷v抛光后加热使蜡熔化，用特殊镊子取下晶片v双面抛光双面抛光必须采用无蜡黏着方式，采用类似双面研磨的方式，可改善晶片表面的平整度和弯曲度，得到广泛关注。 影响抛光质量的几个因素影响抛光质量的几个因素v1、抛光垫、抛光垫v作用作用：能有效地均匀分布抛光液，又能使新抛光液不断得到补偿，并且能顺利的排除旧抛光液及反应物。v为了维持抛光过程的稳定性、均匀性、重复性，抛光垫材质的物理性质、化学性质及表面形貌必须维持稳定，对材质的密度、表面态、化学稳定性、压缩性、弹性

18、系数、硬度、厚度等有很高的要求。抛光垫基本有三种：粗抛、细抛、精抛垫v 聚氨酯固化抛光垫聚氨酯固化抛光垫：粗抛用，主要成分发泡固化聚氨酯，类似海绵的多孔结构。v 不织布抛光垫不织布抛光垫：细抛用，用聚酯棉絮类纤维经针扎工艺形成毛毯结构后，浸入聚合物化学溶液槽中浸泡，使聚合物浸入毛毯纤维，烘干制成类似丝瓜布的强韧性结构。v 绒毛结构抛光垫绒毛结构抛光垫： 精抛用，基本结构是不织布。中间是聚合物，表面层为多孔绒毛结构，孔洞的作用如同水母一吸一放，抛光垫受压时抛光液进入孔洞；压力释放是恢复原来形状，将旧的抛光液和反应物排除、补充新的抛光液。v绒毛长短与均匀性对抛光特性有影响，较长去除率较低 2、抛光

19、液、抛光液v抛光液中的二氧化硅的粒度、浓度、PH值是影响抛光去除率及品质的重要因素。v粗抛阶段要求去除率较大，故二氧化硅粒度较大（7080nm),浓度较高。v抛光装置虽然去除率较高但易产生雾缺陷所以精抛液中的二氧化硅粒度较小（3040nm）浓度也较低。v抛光去除率随PH值得增加而缓慢增加，但是超过12，去除率反而迅速降低，故一般维持在10.512v3、压力、压力v随着压力增加去除率增加，但是压力过大易导致去除率不均匀、增加抛光垫磨损、温度难以控制，甚至硅片破碎。所以抛光中要注意控制合适的压力。v4、转盘的旋转速度、转盘的旋转速度v增加转速可增加抛光去除率但会产生局部温度和抛光液分布不均匀，影响

20、抛光质量。v转速控制在150300r/min。v5、温度、温度v增加温度可促进化学反应，增加去除率。温度一般控制在3040。v温度太高会引起抛光液的过度挥发及快速的化学反应，从而使抛光液效果不均匀且产生雾缺陷。v抛光对技术要求极高，抛光片的总厚度偏差（TTV）须控制在2 m以下，表面平整度（TIR）也需在2 m以下。vTIR=a+b(TIR=a+b(到参考平面的上下距离加和到参考平面的上下距离加和) ) 清洗清洗v清洗的目的是清除晶圆表面的污染物（微粒、金属杂质、有机物），采用湿式化学清洗v清洗环境的洁净度要求特别高，清洗台局部区域要求洁净度为1级（空气中0.1 m 的微粒数不得多于10个/ ）。空气中挥发物也需严格控制。化学品的纯度必须是超级纯，金属不纯物小于0.1ppb,所含0.2 m 的微粒必须小于200个/ 。3m3cm 2、基本原理、基本原理v湿式化学清洗（RCA）的清洗液有两种SC-1和SC-2vSC-1由 组成，称为APM。浓度为1:1:51:2:7 ,适合清洗的温度是7080。SC-1具有较高的PH值，可有效的去除晶圆表面的微粒及有机物。 vSC-2由 组成，简称HPM。浓度比为1:1:61:2:8,适合清洗的温度为7080 。SC-2具有较低PH值