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20～30μm粗糙度：大幅减小，大约还有10～20μm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）-6-4-20246-6-4-20246-1-0.500.511.522.532）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12umFPD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：x2x1d最小距离：，反向翘曲时，此值为负值。翘曲度：122xx2d1222xxd双向翘曲基准面x2x1x3x4翘曲度：341222xxxx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Si2）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：4NOO2H3SiO4HNO3Si223O2H][SiFH6HFSiO26224NOO8H][SiF3HHF814HNO3Si2623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：232223222HSiONaOH2NaOHSi2HSiOKOH2KOHSi3）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—20~30μm）粗糙度：大幅度降低（30~40—10~20μm）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CROSSSECTIONTILT75degree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-+H2Ob.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