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1、上章内容,晶体XRD定向 粘接硅棒 多线切割机切割 冲洗 去胶 冲洗，烘干,切片过程的评估,定向的准确性 切割出的硅片最小厚度、厚度均匀性 表面参数平整性，弯(翘)曲度，碎裂 结构参数损伤层（如晶格畸变），应力分布30um 洁净性（加工带来的污染）金属、有机、表面部分氧化层 切割效率,后续工艺,去除表面损伤层，研磨（磨片） 消除内应力可能引起碎裂倒角，退火 清理表面污染物，表层切除，清洗，背封，背损伤 确保电阻率温度稳定性退火,第三章 硅片的倒角、研磨和热处理,本章加工工艺： 1. 边缘倒角 2. 表面研磨 3. 热处理,工艺介绍,倒角：通过金刚石砂轮对硅片边缘进行打磨，使其边缘钝圆光滑，而不
2、易破碎。 研磨：采用磨料研磨的方式，对硅片表面进行磨削，将表面损伤层减薄，获得较平整表面，为抛光创造条件。 热处理：对硅片进行高温退火（650），降低或消除硅晶体中氧的热施主效应。,1. 倒角,硅片倒角 简介 工艺 流程 主要参数,倒角,定义：采用高速运转的金刚石磨轮，对进行转动的硅片边缘进行摩擦，从而获得钝圆形边缘的过程。属于固定磨粒式磨削。 作用：消除边缘锋利区，大大减小边缘崩裂的出现，利于释放应力。 崩裂原因：边缘凸凹不平、存在边缘应力、受热边缘膨胀系数不同等等。,大气,抽气减压,低压区,倒角加工示意图,60008000r/min,金刚石,吸盘,对于没有参考面的倒角，硅片做标准圆周运动。
3、,有参考面的倒角,硅片边缘不是规则圆形，因此硅片不是做规则的圆周运动，而是采用凸轮，进行旋转。 最终目的：硅片边缘做总被均匀打磨。,倒角粗糙度的控制,为尽量减小粗糙度，且保证加工效率：分别由大到小采用不同磨粒的倒角磨轮，对硅片进行多次倒角，最终获得光滑的表面。 例：先采用800#粗倒角，再采用3000#的磨轮进行精细倒角，最终获得光滑的表面。平均粗糙度Ra0.04um 3000#目，表示每平方英寸含3000个颗粒。,两种典型的倒角,硅片经过倒角以后，其边缘的轮廓并不相同，主要有R和T型两种。,R型（主流）,T型,倒角的主要参数,倒角的角度：11(H型)，22(G型)。 倒角的宽幅。 中心的定位
4、。 磨轮与旋转台距离的调节。,宽幅,倒角的度数,倒角的流程,准备工作,参数输入,自动倒角,检查水电 选择凸轮 选择磨轮 选择吸盘,硅片同心度 硅片高低 主轴转速,有参考面的硅片倒角，采用凸轮,倒角结束,影响倒角的因素,凸轮的选择。 硅片中心定位准确性。 硅片固定的平整性。 转速高低、稳定性。 高速转动时的竖直性。 L的精确控制。 磨轮的磨粒尺寸。,倒角的故障,残留未倒角的边缘中心定位不准。 宽幅不均匀硅片厚度不均，边缘翘曲，磨槽不均。 倒角崩边硅片边缘太薄，金刚石磨粒不均匀，冷却水不足等。,L,交叠区,L1,L2,解决中心定位问题,(1) 尽量定位准确 (2) 控制L，和硅片半径匹配，LR-d
5、,2. 硅片的研磨,1）简介 2）研磨基本知识 3）磨片的主要技术参数 4）高质量磨片的技术条件 5）研磨机组成与原理 6）磨片的工艺过程 7）主要影响因素 8）磨片中产生的缺陷,1）硅片研磨,磨片：多线切割以后的硅片，表面有一定的损伤层，（存在晶格畸变、划痕以及较大起伏度），为了获得光滑而平整的晶体表面，需要将损伤层去除，通常分两步：第一，机械研磨，第二，表面抛光。而采用研磨方式，来去除损伤层，就是磨片。 磨片方式：研磨浆中的磨粒在一定压力作用下，研磨工件的表面。 磨片方式：游离式磨削。,压力,磨片示意图,2）研磨基本知识,(1) 研磨的机理 (2) 研磨浆组成与原理,(1) 研磨中的机理：
6、 a. 挤压切削过程。磨粒在一定压力下，对加工表面进行挤压、切削。 b. 化学反应。有些磨料可以先把工件表面氧化，再把氧化层进行磨削。这样可以减慢切削速度，提高最终加工精度。 c. 塑性变形。获得非晶的塑性层，最终去除。,(2) 研磨浆主要包括： a. 磨料：粒度小，则磨削的表面粗糙度小，加工精度高. 但是加工速度慢。粒度大，则加工速度快，但是加工粗糙度大。 基于效率和精度要求：先用粗磨料加工，再用细磨料加工。 磨片中，磨粒通常采用金刚砂，即SiC颗粒。,不同大小磨粒的磨削比较,b. 磨削液的作用： 冷却作用：把切割区的热量带走。 排渣作用：将研磨屑和破碎的磨粒冲走。 润滑作用：减小磨粒和表面
7、的机械摩擦。 防锈作用：磨粒除了磨削工件，对金属底盘也进行切削，要防止金 属底盘生锈。 磨片中，磨削液通常采用水。,c. 助磨剂等 助磨剂：加速材料磨削速度，并保证平整度，保证磨粒悬浮性，通常一些氧化剂。 助磨原理：助磨剂和工件表层反应（挤压造成部分原子混合，如O），形成较疏松的表面氧化层，容易去除。,3）磨片中的技术参数,a. 硅片厚度和总厚度变化TTV。 b. 表层剪除层的厚度。 c. 表面缺陷的产生。,a. 硅片厚度和总厚度变化TTV,硅片厚度，特指硅片中心点的厚度。 总厚度变化：TTV=Tmax-Tmin 未经磨片时，硅片TTV很大，（几十um）。经过磨片以后，TTV5um。 经过磨片
8、，硅片厚度的均匀性获得大幅提高。,b. 表层剪除的厚度,为保证研磨效果，表层剪除量应当大于损伤层的厚度。 内圆切割，剪除厚度：60120um。 多线切割，剪除厚度：4060um。,c. 表面缺陷,磨片过程中，可能产生部分表面缺陷，如崩边，缺口等。 磨片过程中，应尽量避免缺陷产生。,4) 高质量磨片的技术条件,模具表面硬度高，平整度高。 工件做复杂的运动，保证研磨均匀性。 研磨浆具有一定的浓度黏度和流量。 适当的压力和转速。,5) 研磨机的结构,电机,控制电脑,研磨液输管,机座,硅片研磨机的组成,双面研磨机,磨盘、研磨传动机构,机座,研磨液系统,控制系统,主轴转动,上磨盘升降,行星运动,磨速控制
9、,研磨机磨盘,表面硬度高耐磨削,沟槽,行星齿轮片,硅片孔,外侧齿轮,其他形状的齿轮片,下磨盘,上磨盘,主轴,研磨系统的结构,研磨液系统,包括：研磨液桶、水泵、研磨液传输管道。 研磨液喷在研磨区，即上磨盘和行星轮之间、下磨盘和行星轮之间，因同时对两个表面研磨。,控制系统,主轴和行星运动的实现：电机驱动做定轴转动，转速和方向可调节。 上磨盘升降、转动：气压控制升降，平稳性好；电机驱动转动，转速和下磨盘反向。 下磨盘定轴转动：电机驱动 研磨速率的控制：研磨压力、磨片的转速、研磨浆的流速、研磨时间。,6）磨片的工艺过程,硅片分选,配研磨液,修盘,设置参数,磨片,清洗,(1)厚度分选：将多线切割以后，厚
10、度一致的硅片选出来，进行同盘研磨，提高研磨以后硅片之间厚度的一致性。精确到微米。 (2)配置研磨浆：磨料+水+助磨剂+金属洗涤剂 磨料：金刚砂，即SiC颗粒 助磨剂：弱碱性，提高研磨的速率。 典型配比： SiC:水:助磨剂=(101):(201):(40.2),研磨浆 = SiC: 水: 助磨剂 各组分的作用： 水：润滑，冷却，冲刷碎屑 SiC：研磨 助磨剂： 表面活性剂(防止硅粉、SiC颗粒团聚)， 弱碱性物质，和Si表面发生反应。,助磨剂简介：研磨过程中，小尺寸的研磨颗粒带有电荷，随着颗粒不断减小，自身重力也减小，一方面易于悬浮，另一方面，当大量硅粉存在时，也易于发生团聚，而影响研磨效果。
11、 加入的助磨剂常常是表面活性剂，其分子具有双亲基团，即亲水和亲颗粒的两端，这样助磨剂分子可以分布在研磨颗粒周围，再外层是水，这样可以防止颗粒团聚。,(3)修磨盘：保证磨盘的标准平整度。 磨盘不平整原因：研磨浆的研磨作用、金属部件之间的磨削。 修磨盘方法：采用研磨液将表面磨削掉一层。 (4)参数设置：研磨压力、转速、目标厚度等 厚度的实时监控：晶体振荡器。 (5)研磨：自动进行。 (6)冲洗送交。,7) 影响研磨的因素,(1) 影响研磨速率的因素。 (2) 磨盘、载体的表面平整性对研磨效果的影响。,(1) 影响研磨速率的因素,a. 研磨液的浓度。 b. 硅片承受压强的大小。 c. 研磨盘的转速。
12、 d. 磨盘和载体的外形。,a 研磨液的浓度,研磨液组成：主要是SiC磨粒和水。 研磨液的参数： 磨粒大小：为提高效率，倾向大磨粒，但是磨粒太大会增加研磨粗糙度，一般选用W14，即尺寸1014微米。 配制浓度：随浓度增加，研磨速率先增加，再减小。,浓度%,研磨速率,先增加的原因：磨粒浓度较低时，互相接触概率很小，随着浓度增加，所有磨粒单位时间研磨的总面积增加。 研磨速率饱和的原因：单位时间研磨的面积达到稳定（和转速等因素有关）。 随后减小的原因：浓度太大，磨粒之间接触挤压的概率增大。因此会增加各种界面缺陷和磨粒团聚的产生，并降低有效研磨速率。,b 硅片承受的压强,硅片所承受的压强p，由上磨盘自
13、重G，和外加控制压力F决定： G: 上磨盘重量，F: 外加的研磨压力， D: 硅片直径 载体未承受重量。,压强与研磨速率关系,转速等因素不变时，硅片所受压强越大，研磨速率越高。,压强P,速率,磨片过程中压强的控制,硅片可承受的最大压力有限，需要分段控制压强。,c. 磨盘的转速,一般说，转速高，研磨速率快。 研磨是效率（速率）和精度（粗糙度）并重，为减小界面缺陷，转速不宜过大。 压力等条件一定时，转速越高，表面摩擦力越大，会形成界面缺陷。 所以，转速应当和压力F，磨粒等条件相匹配，一般设备会提供相应的参数。,d 磨盘、载体外形对磨片的影响,1）磨盘的几何外形对研磨的影响。 2）载体几何外形对研磨
14、的影响。 考虑的焦点，工具的表面平整性。,磨盘的外形,新设备磨盘外形是规则平面，有清晰的盘槽。 研磨过程中，磨盘和载体也会被磨损，而且这种磨损，并非平面性磨削，这导致磨盘外形不再是规则的平面，盘槽变浅。 磨盘外形缺陷：划痕、凸凹面，盘槽变浅。 磨盘外形不规则，会导致磨过程中产生多种缺陷，甚至碎片。 解决方案：修盘，开槽。,修盘方法：用标准平面磨盘，接触待修理的磨盘，二者界面之间喷洒硅片的研磨液，加较大压力，并反向高速旋转，进行游离式磨削，重新打磨出规则平面。 盘槽的维持：经过一次修盘，盘面被打磨下一层，盘槽会变浅，因此当盘槽磨平时，要重新开槽。,剪除层,磨盘,划痕,2) 载体外形对研磨的影响,
15、载体厚度：硅片的2/3。 载体开孔直径：比硅片大1mm。 耗材：载体研磨至硅片厚度的1/2时，报废。 载体比硅片薄，因此，磨盘自重和外加压力作用在硅片上。,7） 磨片过程中的表面缺陷,磨片时，产生的表面缺陷主要有： 崩边：硅片表面或边缘非穿透性缺损。 缺口：贯穿整个硅片厚度的边缘缺损。 裂纹：延伸到硅片表面的解理或裂痕，可以贯穿或者不贯穿硅片的厚度。 划片：由磨粒的摩擦，对硅片造成的表面划痕。磨粒尖锐的表面形成，一般磨粒尺寸较小，外形接近钝圆形，可以减少划片。,缺口,崩边,裂纹,3 硅片的热处理,1) 硅片热处理的意义。 2) 硅片热处理的工艺过程。 3) 半导体中杂质O的存在形式和行为。,1) 硅片的热处理的意义,意义： (1) 降低硅片内部氧原子的施主效应。 (2) 消除硅片的内应力。 处理对象：主要针对直拉法生长的本征硅，（非重掺杂），切割出的硅片。 杂质对象：硅片中的氧原子O 工艺参数：温度、时间。,2) 硅片热处理的过程,(1) 器材的处理。 (2) 热处理步骤。,器材处理,器材：石英管、石英舟、氧化炉/扩散炉、钢瓶（Ar、N2） 目的：清理石英管和石英舟的表面杂质。 方法： 氢氟酸稀溶液浸泡，2小时。 水冲洗。 650下，保护气氛中煅烧2小时。 稀酸配比 HF : H2O = 1 : 10,热处理工艺过程,准备工作,装片,入炉,恒温,出炉,准备工作：检查核实硅片
