硅晶片的超精密加工

硅晶片的超精密加工摘要 归纳总结了硅晶片的加工原理、加工方法，分析加工硅晶片的技术要求其精密制造过程，并通过对国外技术装备的分析，指出硅晶片高效精密加工技术的发展趋势。关键词 硅晶片 超精密加工 磨削 抛光前言硅是具有金刚石晶体结构，原子以共价键结合的硬脆材料，其硬度达到 1000HV ，但断裂强度很低， 所以超精密加工晶体硅有一定的难度。 同时， 硅又是一种很好的材料， 构成集成电路半导体晶片的 90以上都是硅晶片。随着电路芯片的集成度不断提高，而加工特征尺寸和加工成本逐步缩小， 如下表。 为了能在硅晶片上印刷集成电路，与其他元件结合紧密， 硅晶片的表面必须平直， 特别是随着集成电路的集成程度的提高， 对硅晶片的表面的线宽、 硅晶片的平直度提出了越来越高的要求， 故实现优质， 低耗， 高精度的硅晶片的超精密加工具有极其重要的意义。表 1 硅晶片加工部分技术要求 [1] 1992 1995 1998 2001 2004 2005 硅晶片尺寸 /mm 200 200 200/300400 300400 300400 300400 存储空间 16M 64M 256M 1G 4G 18G 加工成本 /cm2 4.0 3.9 3.8 3.7 3.6 3.5 缺陷密度 N/cm2 0.1 0.05 0.03 0.01 0.004 0.002 特征尺寸 /um 0.5 035 0.25 0.18 0.12 0.10 [2] 硅晶片的传统加工工艺硅晶片加工是 IC 制造系统重要的基础环节，硅片的加工精度、表面粗糙度和表面完整性直接影响 IC 的线宽和 IC 的性能，对于 200mm 的硅片，传统的加工工艺过程为切片→倒角→研磨→腐蚀→清洗→抛光（如图 1） 。由于采用内圆金刚石锯片切割会产生较大的翘曲变形，最大翘曲量达到 37um，硅片表面还会残留切痕和微裂痕，损伤层深度可达 1050um ，经双面研磨机平整化加工后可使硅片厚度公差小于 3um，总厚度变化 TTV1um ，平整度1um， 但表面粗糙度为 0.10.2um ， 达不到要求， 需经过后续的腐蚀去除研磨所产生的表面损伤层，最后经过化学机械抛光获得超光滑无损伤表面。硅晶片的超精密加工1、 硅片自旋转磨削采用略大于硅片的工件转台， 通过真空吸盘每次装夹一个硅片， 使硅片的中心与转台的中心重合， 杯形金刚石砂轮的工作面调整到硅片的中心位置。 磨削时， 硅片和砂轮绕各自的轴线回转，砂轮只进行轴向进给。在超精密磨削中，金刚石砂轮的修整情况对零件的加工质量有决定性影响。其修整过程主要包括修平 /结合剂去除和去尖，修平一般采用金刚石砂轮磨削相对软质物质。结合剂去除主要为电解法和接触放电法。目前， 采用硅片自旋转磨削方法加工直径 6～ 16 英寸 （ 150～ 400mm） 硅片， 可实现硅片的正面超精密磨削和背面磨削减薄，所达到的 [5] 技术指标见下表硅片直径技术指标 6” 150mm 8” 200mm 12” 300mm 硅片总厚度变化（ TTV） ≤ 0.8 μ m ≤ 0.9 μ m ≤ 1.0 μ m 硅片与硅片的厚度变化 ≤ 0.8 μ m ≤ 0.8 μ m ≤ 0.8 μ m 表面粗糙度 Rmax 0.09 μ m 0.09 μ m 0.09 μ m [2]英国 Cranfield 大学 J.Corbett 教授领导的课题组于 1997 年设计出 Tetraform “ C”型磨床， 这种磨床具有很高的静、 动态刚性和优良的热平衡结构， 可以在隔离环境振动条件下进行高速超精密磨削。用于磨削单晶硅、陶瓷和玻璃等硬脆材料，达到 R120nm 的表面粗糙度，亚表面损伤深度只有传统磨削的 12 ，甚至小于抛光加工产生的亚表面损伤深度。由于 Tetraform “ C”型磨床结构方面的原因， Cranfield 大学与 Cranfield 精密工程有限公司联合， 研制成功一种新型的硅片超精密磨床， 该磨床为敞开卧式结构， 并采取控温、 隔振等措施， 可在一个工序中以很高的加工效率完成硅片的塑性域纳米磨削， 获得很好的表面和亚表面完整性。 据称， 用该磨床超精密磨削大尺寸硅片可以完全代替传统工艺的研磨和腐蚀工序，甚至有望代替抛光加工。2、 [4]微粉金刚石磨盘的研磨和抛光工艺□高刚度的固着磨料磨盘安装在磨抛液槽的底部；□磨抛主轴采用高精度高刚度空气轴承， Z 向采用高刚度的微进给控制系统，保证工件与磨抛主轴间的位置精度；□磨抛运动由工件的旋转和工作台在 X-Y 方向的高精度运动组成；□通过测力平台精密检测过程中的磨抛力，可进行超低载荷磨抛加工；□采用磨抛液循环过滤和温度控制系统，排除磨抛液中的废屑和保持磨抛液温度恒定。□利用磨抛液的化学作用和磨盘的机械作用， 通过控制压力进行硅片超精密平整化加工， 在正常磨抛压力下，大直径硅片的平面度可控制在 5～ 50nm 之间。3、 硅片背面减薄加工技术硅片上的电路层的有效厚度一般为 5～ 10μ m， 电路层制作完后， 需要对 硅片进行背面减薄，达到所需的厚度，然后再对硅片进行划片，形成一个个减薄的裸芯片。粗磨阶段迅速去除硅片背面绝大部分的多余材料。精磨阶段消除粗磨时形成的损伤层，达到要求的厚度。日本 Tokyo Seimitsu 公司所研制的硅片抛磨机床基于硅片自旋转磨削原理， 在金刚石微粉砂轮粗磨和精磨的基础上增加一个利用固着磨料抛光轮去除磨削损伤层的系统， 可以进行硅片的镜面加工，使表面损伤层 0.1um ，利用该机床进行硅片的背面磨削，可以快速减小硅片的厚度，为 3-D 贴片等一些特殊应用场合提供厚度仅为 150um 的薄硅片，如图。4、 硅片的超精密平坦化技术1 化学机械抛光化学机械抛光时，旋转的工件以一定的压力压在旋转的抛光垫上，而由微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在工件与抛光垫之间流动， 并产生化学反应， 工件表面形成的化学反应物由磨粒的机械作用去除， 即在化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工游离磨料 CMP。[2] CMP 加工过程中，硅片表面各点的抛光压力分布是不均匀的，这成为影响硅片 CMP平整化加工均匀性的重要因素， 夹持和固定硅片的夹盘和背衬表面平整度直接影响抛光硅片的平整度。 日本 Tokyo Seimitsu 公司应用气压控制技术开发了浮式硅片夹盘， 不需要高精度的平整背衬， 通过在夹盘中形成的气垫支撑硅片的背面， 以保证抛光过程中均匀的压力分布，如图。2等离子辅助化学刻蚀平坦化技术测量系统把硅片表面凸凹的几何误差信息输入计算机，由计算机控制等离子喷嘴的位置和速度，对凸凹表面进行局部加工，刻蚀速度一般为 1～ 50μ m/min ，等离子喷嘴直径可以从 3～ 30mm 选择，对精度进行控制。（ 3）电化学机械平坦化技术在传统的电化学铜沉积工艺基础上， 在两个电极之间增加非导体多孔抛光垫， 利用抛光垫的干扰作用实现选择性电化学铜沉积， 同时抛光垫的机械摩擦和抛光作用可去除顶部多余的铜沉积层， 从而通过选择沉积与机械去除双重作用， 减小多余铜的厚度， 达到平坦化的目的。（ 4）无应力抛光技术由电解抛光技术发展而来，依靠电流密度效应按一系列同心环对铜结构表面进行平坦化。其工艺过程为 首先利用电解抛光去除大量的铜； 再通过二次抛光， 以确保全部去除顶部的铜；最后采用等离子体刻蚀工艺去除顶部的阻挡层金属，并回蚀某些电介质。抛光精度检测[3] 表面质量有关参数（用 Zygo、 Wyko 、 AFM 、 α － step 仪器测量）TTV 硅片的最大及最小的厚度差。控制在 2um 以下（光刻对焦要求） TTV ＝ a－ b TIR 硅片表面平坦度与参考平面最高到最低的距离。控制在 2um 以下（光刻对焦要求）FPD 硅片表面一点与参考平面之间的最大距离平整度（ DP）DP（％）＝（ 1－ SHpost/ SHpre ） 100％SHpost＝ CMP 之后在硅片表面的一个特殊位置最高和最低台阶的高度差SHpre＝ CMP 之前在硅片表面的一个特殊位置最高和最低台阶的高度差[1]晶硅片加工方法的发展趋势1.双面研磨和采用杯形砂轮的回转磨削可进一步提高晶硅片的表面质量， 是未来硅晶片超精密加工很有竞争力的技术。2.在磨削过程中， 通过控制刀具相对于工件的位置和刀具主轴的自动调整来获得理想的加工表面，实现以磨代抛。3.为进一步提高硅晶片的表面质量，大摩擦系数的化学机械抛光有可能得到应用。4.对于大尺寸的硅晶片，如果利用固定金刚石刀具进行塑性区域加工，可提高加工精度，减少亚表面的损伤，减小抛光量，提高加工效率。5.用超精密切削代替超精密磨削也是超精密技术发展的方向之一。参考文献[1] 硅晶片精密加工的现状分析 闫占辉 长春工程学院机械工程系，长春[2] 大尺寸硅片的高效超精密加工技术 郭东明 康仁科 金洙吉 大连理工大学机械工程学院 大连 116024 [3] 硅集成电路衬底加工技术[4] 大直径硅片的超精密加工[5] 半导体硅片超精密加工技术与装备 大连理工大学科技成果汇编