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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