试论硅材料的加工

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第12 章 硅材料的加工,外径滚磨,磨定位标志,切片,倒角,切头去尾,单晶生长,研磨,腐蚀,热处理,背面损伤,抛光,清洗,检验,包装,硅材料加工的基本流程示意,12.1切头去尾,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。,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,。、,带锯和内圆切片,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,。,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。,切割时必须要,用水冷却,，即可带走热量又可带走切屑。,12.2 外径滚磨,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,。,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。,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。,12.3 磨定位面（槽）,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。,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。,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,。,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,。,切方可用,带锯,也可用,多线切方机,。,12.4 切片,切片就是将晶锭切成,规定厚度,的硅片。,两种方式：,内圆切割,和,线切割,。,内圆切割,：刀片是用不锈钢制作的，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。,注意事项,：,1、,调整好刀片的张力,施加张力可用,水压方式,和,机械方式,两种。,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,。,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,。摩擦力和热会影响张力状况，需及时调整。,2、,修整刀片,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。,3、保证冷却水畅通,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,。,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。,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,浆料可以,回收经处理后再使用,，但必须保证浆料的粘稠度、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,。,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:,1.多线切割损耗晶体少,2.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。,3.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。,4.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。,5.多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。,6.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。,7.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0.25,m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。,8.多线切割消耗品的费用比内圆切割高，大约在两倍以上。,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20%以上，加工小直径的晶体采用内圆切割更有利。,晶片的技术参数,1、晶片的晶向,按照客户的要求调整好晶向的偏离度数。,2、晶片的总厚度偏差（TTV）,TTV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。,3、翘曲度（Warp）,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。,4、弯曲度（Bow）,表征晶片的凹状或凸状变形程度的指标。,Bow=(a-b)/2,多线切割,的弯曲度几乎为,0,.,12.5 倒角（圆边）,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,，,即对晶圆边进行倒角处理,。,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。,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。,12.6 研磨,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,：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,1.上下研磨盘,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；太硬，浆料颗粒挤向晶片，造成晶片损伤。,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。,2. 载具,用以,承载硅片,的载体。,人工放置,。,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。,3. 研磨浆料,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：,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。,修整:,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。,二、上下磨盘直接相互研磨,12.7 腐蚀,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。,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,是,氧化,作用，,氢氟酸,是,溶解二氧化硅,，,体积比为5:1,。,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。,注意事项：,1、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。,2、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。,3、腐蚀器件为,聚二氟乙烯,制成。,4、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,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。,KOH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。,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,参数,酸腐蚀,碱腐蚀,反应性质,放热,吸热,腐蚀方向性,无方向性,有方向性,金属污染程度,腐蚀液纯度高，温度低，污染程度小,纯度低，温度高，污染程度大,平整度,需使用特制片盒装载晶片并用打入气泡等方式改变平整度,不需要特制载具，晶片不需旋转，不用打入气泡等就能得到一定的平整度,粗糙度,较小，与晶片原损伤层程度有关,较大，与晶片原损伤层程度有关,表面残留微粒,难以去除晶片原有的微粒不易吸附微粒,较易去除晶片原有的微粒，较易吸附微粒,斑点,晶片转移时间须小于2s，低电阻率晶片交易产生斑点,转移时间须小于4s，与晶片电阻率无关,成本,约为碱腐蚀的2倍,12.8 抛光,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,。,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,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。,步骤,：粗抛和精抛,粗抛的主要作用,是为去除磨片的损伤层，去除量为1020,m.,精抛的主要作用,是改善晶片的粗糙程度，去除量不足1,m。,12.8.1 边沿抛光,边沿抛光的形状有圆形和梯形两种，一般采用,梯形,。,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,。,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,。,12.8.2 晶圆表面抛光,直径较,小,的晶圆采用,批次,抛光，一次抛若干片，2040min；,大,直径晶圆采用,单片,抛光，34min,从抛光面数来分，分为,单面,抛光和,双面,抛光,原理,：,抛光液,由含有SiO,2,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,：碱液中氢氧根,氧化晶圆表面,生成二氧化硅,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,机械力和化学力二者处于平衡状态,。,有蜡抛光和无蜡抛光,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。,具体操作,是将一层厚度510,m的,蜡均匀涂在,高速旋转（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,抛光后加热使蜡熔化，用,特殊镊子,取下晶片,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,。,12.8.3 影响抛光质量的几个因素,1、抛光垫,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。,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,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。,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。,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。,绒毛长短与均匀性,对抛光特性有影响，较长去除率较低,2、抛光液,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。,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,。,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,。,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,10.512,3、压力,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,。,4、转盘的旋转速度,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，影响抛光质量。,转速控制在150300r/min。,5、温度,增加温度可促进化学反应，增加去除率。温度一般控制在,3040,。,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。,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。,TIR=a+b(到参考平面的上下距离加和),12.9 清洗,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,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/ 。,2、基本原理,湿式化学清洗（RCA）的清洗液有两种SC-1和SC-2,SC-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,。,SC-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，可与,残留金属形,成可溶物。,SC-1和SC-2的清洗原理,1、,微粒,：主要来自于加工中使用的设备、化学品、空气环境、去离子水及晶片载具等。,SC-1中,的,双氧水H,2,O,2,将硅晶片表面,微粒氧化,溶于清洗液中去除，也可以利用,超声波,等方式去除微粒，当超声波,平行,于晶圆表面时，会逐渐湿化微粒使其脱落。当,超声波,施加到,SC-1清洗液槽,中，可于,40去除微粒,。,SC-1,清洗液对硅片有,轻微腐蚀,作用，通过对硅片腐蚀也可使微粒脱落，但是时间不宜过长，易造成晶圆表面微粗糙度增加。,2、,金属杂质的去除,来源,:化学品、设备,金属污染将,导致晶片热氧化层错的产生,，,影响元件品质,。,SC-1和SC-2中的高氧化的H,2,O,2,，去除金属杂质。,SC-1去除,B族、B族、Ni、Co、Cr等,金属杂质,。,SC-2去除碱金属离子,、Cu、Au、等残留金属和Al(OH),3,、Fe(OH),3,、Mg(OH),2,、Zn(OH),2,氢氧化物金属离子,。,3、,有机物的去除,来源,：,塑料载具、空气中的有机物蒸汽和化学品,去除有机物,靠SC-1中的,双氧水(H,2,O,2,)的氧化作用和氨水（NH,4,OH）的溶解作用,，也可以使用,SPM,（H,2,SO,4,+H,2,O,2,+H,2,0）,清洗去除,。,湿式化学清洗,浸泡式,湿式化学清洗硅片的步骤（6步）：,1、装硅片的塑料晶舟置于装有SC-1的清洗槽中，超声波清洗约5分钟,2、去离子水清洗或高速冲洗,3、晶舟转入装入SC-2清洗液的清洗槽中，去除残留金属离子,4、去离子水清洗或高速冲洗,5、去离子水和超声波清洗,6、烘干,