單晶硅片的制造技術(shù)

  摘要：隨著ＩＣ隨著技術(shù)的進(jìn)步，集成電路芯片不斷向高集成、高密度、高性能方向發(fā)展。傳統(tǒng)的硅片

  主要適用于小直徑制造技術(shù)（￣＜２００　ｍｍ）硅片的生產(chǎn)；隨著大直徑硅片的應(yīng)用，硅片的超精度研磨

  廣泛應(yīng)用。本文主要討論了小直徑硅片的制造技術(shù)和適用于大直徑硅片生產(chǎn)的硅片的自旋磨削

  加工原理及工藝特點(diǎn)。

  關(guān)鍵詞：ＩＣ硅片研磨拋光磨削

  集成電路（IC)是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。IC使用的材料主要是硅、諸和碑化嫁等，全球90%以上IC使用硅片IC硅片不僅要求平面度高，表面粗糙度小，還要求表面無變質(zhì)層和劃痕。目前，硅單晶制備技術(shù)可使晶體徑向參數(shù)均勻，減少體內(nèi)微缺陷.1~0.3um平均尺寸的缺陷可以小于0.05個(gè)/cm2；對電路加工過程中誘發(fā)的缺陷理論模型也有相對完整的理解，從而開發(fā)了一套完美的晶體加工工藝。此外，隨著半導(dǎo)體工業(yè)的快速發(fā)展，為了滿足現(xiàn)代微處理器和其他邏輯芯片的要求，一方面，為了增加芯片生產(chǎn)，降低單元制造成本，硅直徑增加；另一方面，為了提高IC硅片的刻線寬度要求越來越細(xì)。IC制造技術(shù)已進(jìn)入0.13和300mm這對單晶硅片的制造技術(shù)提出了新的要求。

  硅片直徑及集成電路的發(fā)展趨勢

  美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（SIA)直徑450的微電子技術(shù)發(fā)展構(gòu)圖將于2008年開始使用mm的

  硅片（硅片直徑的發(fā)展趨勢如圖1所示）,實(shí)現(xiàn)特征線寬0.07pm,硅片表面總厚度變化（TTV)要求小于0.2um,局部平整硅片表面（SFQD)設(shè)計(jì)線寬的2/3，硅片表面粗糙度達(dá)到納采和亞納米級，芯片集成度達(dá)到9000萬晶體管/cm2.目前一個(gè)芯片可以集成數(shù)億個(gè)元件，集成電路集成水平的發(fā)展趨勢如表1所示。

  隨著硅片直徑的增加，為了保證硅片具有足夠的強(qiáng)度，原硅片（pri ** rywafer)厚度也相應(yīng)增加，目前為200mm直徑硅片的平均厚度為700p300mm直徑硅片的平均厚度增加到775pm。相反，為了滿足IC芯片包裝的需求和改進(jìn)IC尤其是功率IC芯片的可靠性，降低熱阻，提高芯片的散熱能力和成品率，需要薄芯片的厚度，芯片的平均厚度每兩年減少一半。芯片的厚度已100-200pm,智能卡、MEMS、生物醫(yī)學(xué)傳感器等IC芯片厚度已降至1000pm下面。高密度電子結(jié)構(gòu)的三維集成和三維包裝芯片厚度小于50um超薄硅片。硅片直徑、厚度和芯片厚度的變化趨勢如圖2所示。硅片直徑和厚度的增加和芯片厚度的降低給半導(dǎo)體加工帶來了許多突出的技術(shù)問題：硅片直徑增加后，加工過程中翹曲變形，加工精度不易保證：原硅片厚度和芯片厚度的增加，增加了硅片背面材料的去除，提高了加工效率；此外，隨著直徑的增加和厚度的減小，脆性硅片在夾緊和加工過程中容易斷裂，加工難度增加。因此，直徑≥300mm硅片的加工工藝和設(shè)備不再是2000mm以下硅片加工工藝和設(shè)備的簡單放大，但發(fā)生了質(zhì)的變化，現(xiàn)有的小型硅片加工工藝和設(shè)備不再適用，面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

  ２單晶硅片的加工工藝

  集成電路制造過程共分４個(gè)階段：單晶硅片制造→前半制程→硅片測試→后半部分工藝。整個(gè)過程應(yīng)用于先進(jìn)的制造工藝和設(shè)備，如微加工和超精密加工，硅片的超精密加工（包括超精密研磨、研磨和拋光）工藝和設(shè)備IC在制造過程中起著重要作用IC關(guān)鍵的制造技術(shù)。

  在單晶硅片制備階段，硅單晶棒需要加工成具有高表面精度和表面質(zhì)量的原始硅片或光片（barewa-fer),為IC上半年的光刻等工序準(zhǔn)備平整超光滑無損襯底表面。≤200mm傳統(tǒng)硅片加工工藝為：單晶生長→切斷→外徑滾磨→平邊或V型槽處理→切片→倒角→研磨→腐蝕→拋光→清洗→包裝。

  有兩種方法可以長成單晶硅棒：直拉法(CZ)和浮融法（FZ)。其中CZ法律約占85%。CZ法所以比FZ半導(dǎo)體工業(yè)廣泛采用法律，主要是因?yàn)槠涓哐鹾刻峁┝司瑥?qiáng)化的優(yōu)點(diǎn)，另一方面是CZ法比FZ大型單晶硅棒更容易生產(chǎn)。

  切割：目的是切割單晶硅棒的頭部、尾部和超出客戶規(guī)格的部分，將單晶硅棒分割成切片設(shè)備的長度，切割試驗(yàn)片，測量單晶硅棒的電阻率和氧含量。外徑研磨：由于單晶硅棒的外徑表面不均勻，直徑大于最終拋光晶片規(guī)定的直徑規(guī)格，可通過外徑研磨獲得更準(zhǔn)確的直徑。

  平邊或V型槽處理：指定向基準(zhǔn)平面處理，用單晶硅支撐的特定結(jié)晶方向平面或V型槽。

  切片：將單晶硅棒切成幾何尺寸準(zhǔn)確的薄片。

  倒角：將切割的晶片銳邊修剪成弧形，防止晶片邊緣破裂和性格缺陷

  研磨：是指通過研磨去除切片和輪磨造成的鋸痕和表面損傷層，有效改變單一硅片的翹曲度、平整度和平行度，達(dá)到拋光工藝可處理的規(guī)格。

  硅片研磨加工質(zhì)量直接影響其拋光和拋光工藝的整體效率，甚至影響IC性能。硅片研磨加工模型如圖3所示。單晶硅是一種硬脆材料。研磨材料具有軋制和微切割的作用。材料的破壞主要是小破碎。研磨加工后的理想表面形式是由無數(shù)小破碎痕跡組成的均勻無光澤表面。在研磨硅片時(shí)，控制裂紋的大小和均勻性很重要。

  腐蝕：指經(jīng)切片及研磨等機(jī)械加工后，晶片表面受加工應(yīng)力而形成的損傷層，通常采用化學(xué)腐蝕去除。拋光：指單晶硅片表面需要改善微缺陷，從而獲得極高平坦度、極小表面粗糙度值的晶片表面，并要求表面無變質(zhì)層、無劃傷的加工工藝。拋光的方式包括粗拋，主要作用是去除損傷層，般去除量約在10~20um;精拋的主要作用是提高晶片表面的微粗糙度，一般去除量為1pm以下。

  目前，硅片的最終拋光采用濕式機(jī)械化學(xué)拋光法進(jìn)行，即面氧化膜與軟拋光粉的固相反應(yīng)。硅片的機(jī)械化學(xué)拋光原理如圖4所示，粒徑為0.01

  粉末均勻混合在弱堿性溶液中的膠狀液體作為研磨劑，在高速高壓拋光條件下，在拋光布和硅片之間形成一個(gè)封閉的拋光層。同時(shí)，在硅片表面形成軟水合膜，拋光盤通過不斷去除水合膜來拋光硅片。然而，一旦拋光過程中的水合膜破裂，就會(huì)在硅片表面產(chǎn)生加工缺陷。然而，這種缺陷可以通過清洗和使用水溶液侵蝕來消除，以去除天然氧化膜。

  清洗:單晶硅片加工過程中需要清洗的步驟很多，主要是拋光后的最終清洗。清洗的目的是去除晶片表面的所有污染源。

  3 大直徑硅片制造技術(shù)

  當(dāng)硅片直徑增大時(shí)（≥300mm)之后，傳統(tǒng)加工工藝在表面精度和生產(chǎn)效率方面的缺點(diǎn)將更加突出。一方面，在加工大直徑硅片時(shí)，需要相應(yīng)增加研磨和拋光板的尺寸，而大尺寸研磨板難以達(dá)到較高的表面精度；另一方面，隨著硅板厚度的增加，材料去除量增加，每個(gè)板加工大直徑硅板的數(shù)量有限，從而減少了硅板的產(chǎn)量。由于傳統(tǒng)硅板加工工藝的上述缺點(diǎn)，人們開始研究新原理的加工工藝，以改進(jìn)工藝，適應(yīng)大直徑硅板的處理。主要改進(jìn)表現(xiàn)為：用多線鋸代替內(nèi)圓金剛石鋸片切割；基于固結(jié)磨料加工原理的超精度磨料取代磨料和

  ·腐蝕；單片CMP代替多片CMP等等。與研磨相比，硅片的超精度研磨具有加工效率高、成本低、表面精度高、表面質(zhì)量好、加工過程在線檢測、控制、加工過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。目前，杯形金剛石砂輪端面研磨應(yīng)用廣泛，其中最具代表性的硅片超精度研磨技術(shù)是旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)研磨（圖5）a)與硅片自旋磨削(圖5)b)。硅片自旋轉(zhuǎn)磨削法采用略大于硅片的工件轉(zhuǎn)臺(tái)，硅片通過真空吸盤保持在工件轉(zhuǎn)臺(tái)的中心，杯形金剛石砂輪工作面的內(nèi)外圓周中線調(diào)整到硅片的中心位置，硅片和砂輪繞各自的軸線回轉(zhuǎn)，進(jìn)行切入磨削。磨削深度（與砂輪軸向進(jìn)給速度f和硅片轉(zhuǎn)速n,關(guān)系為

  tW=f/nW

  硅片自旋磨削法的優(yōu)點(diǎn)：

  (1)可實(shí)現(xiàn)延性域磨削。在加工脆性材料時(shí)，當(dāng)磨削深度小于某一臨界值時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)延性域磨削。對于自旋轉(zhuǎn)磨削，由公式（1)可知，對給定的軸向進(jìn)給速度，如果工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速足夠高，就可以實(shí)現(xiàn)極微小磨削深度。

  （2）可實(shí)現(xiàn)高效磨削。從公式(1)可以看出，在保持與普通磨削相同磨削深度的情況下，通過提高硅片轉(zhuǎn)速和砂輪軸向進(jìn)給速度，可以達(dá)到較高的材料去除率，適用于大量磨削。

  (3)砂輪與硅片的接觸長度、接觸面積、切角不變、磨削力恒定、加工狀態(tài)穩(wěn)定，可避免硅片中凸塌陷。

  (4)磨床只沿磨削主軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，有利于提高機(jī)床剛度。

  (5)通過調(diào)整砂輪軸與工件軸之間的夾角，可以補(bǔ)償機(jī)床變形引起的砂輪軸與工作臺(tái)軸不平行。

  (6)砂輪轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于硅片轉(zhuǎn)速，因此砂輪磨損對硅片平整度的影響較小。

  (7)每次自旋磨削加工一個(gè)硅片，不受硅片與硅片加工余量不均勻的限制。

  由于上述優(yōu)點(diǎn)，基于硅片旋轉(zhuǎn)研磨原理的超精密研磨技術(shù)已成為硅片，特別是直徑200mm上述大型硅片制造和背面減薄常用的加工工藝。

  綜上所述，下一代IC在制造過程中，基于硅片自旋磨削原理和微粉金剛石砂輪的超精密磨削工藝被認(rèn)為是大直徑的（≥300mm)在硅片制備和背面減薄過程中獲得高精度、超光滑、無損傷表面的理想工藝，代表了大直徑硅片超精密加工技術(shù)的發(fā)展方向。因此，有必要根據(jù)大型硅片超精密加工工藝的理論和技術(shù)發(fā)展趨勢，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的硅片超精密研磨技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)我國半導(dǎo)體制造技術(shù)的跨越式發(fā)展。

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