硅片的几何参数及测试_孙晓波

2012 第 6 期 总第 211 期现 代 制 造 技 术 与 装 备引言随着 IC 工艺 、 技术的不断发展， 硅片的产量越来越大（见表 1） ， 直径尺寸越做越大 （见图 1） ， 厚度越做越薄 。随着大规模集成电路 、 超大规模集成电路和特超大规模集成电路的发展，对硅片的质量特征参数的要求越来越高 。 硅片的几何参数主要有以下几个方面直 径 （ Diameter） ； 厚 度 （ Thickness） ； 平 整 度 （ Flatness） ；粗糙度 （ Roughness） ； 弯曲度 （ Bow） ； 翘曲度 （ Warp） ； 总厚度变化 （ Total Thickness Variation） 。1 硅片的几何参数及测试1.1 直径（ 1） 定义 。 直径是硅片的重要参数， 是指横越硅片表面，通过硅片中心点且不包含任何参考面或圆周基准区的直线距离 。 直径是依照 ASTM Std F- 613 来测量的 。（ 2） 测试仪器 。 硅片的直径可以使用光学比较仪和标准测量块组进行测量 。 光学比较仪要求放大倍数 20～ 40倍 ， 载 物 台 水 平 移 动 的 分 辨 率 ≤ 2.5um ， 样 品 夹 具 旋 转 角度为 360 ,分辨率为 5 。 标准测量块组是以 SEMI 规范 提 供 相 应 的 硅 片 尺 寸 标 称 100mm、 125mm、 150mm 和156mm 的基准长度， 精度 ≥ 2.5um 。（ 3） 测试方法 。 把硅片置于样品夹具中， 使样品的投影图像对准水平轴， 旋转测微计转轴， 使硅片边缘与垂直轴接触 （见图 2a） ， 得到测微计数据 F 。 选用一个长度为 L的标称直径测量块， 旋转测微计转轴， 使硅片边缘与垂直轴接触 （见图 2b） ， 得到测微计数据 S， 可以得到硅片的直径 D L（ S- F） 。 每个硅片都要测三组直径数据， 可计算出硅片的平均直径 。1.2 厚度（ 1） 定义 。 厚度是指硅片给定点处穿过硅片的垂直距离 。 硅片中心点的厚度称作硅片的标称厚度， 单位是 um。厚度是在硅片中心依据 ASTM Std F- 533 用厚度测量仪测量的 。（ 2） 测试仪器 。 厚度测量分为接触式或非接触式 。 接触式测量采用电感测微仪或千分尺进行，非接触测量一般采用静电电容法实现 。（ 3） 测试方法 。 以静电电容测量硅片厚度为例 。 上 、 下探头之间输入高频信号， 硅片放置于两个探头之间， 传感器的电容板和硅片的表面形成一电容，可以与标准电容做比较， 可以求出电流 的 变 化 量 ， 可 得 到 硅 片 的 电 容 量 。图 3 所示为静电电容法测量硅片厚度的示意图 。1.3 平整度（ 1） 定义 。 平整度是指硅片表面与基准平面之间最高点和最低点的差值 。 对一个硅片来说， 如果它被完全平坦地放置， 参考面在理论上就是绝对平坦的背面， 比如利用真空压力把它拉到一个清洁的面上， 见图 4。 硅片的平整度是硅片的最重要参数，平整度目前分为直接投影和间硅片的几何参数及测试孙晓波 苗泽志 李永生（中国电子科技集团公司第二研究所， 太原 030024）摘 要 本文介绍了硅片的几何参数 直径 、 厚度 、 平整度 、 粗糙度 、 弯曲度 、 翘曲度等的含义和测试原理及方法 。关键词 硅片 几何参数 测试表 1 1997 ～ 2002 年全球硅片的生产情况年份项目 1997 1998 1999 2000 2001 20022002/2001增长速度 /硅片生产的总面积 /亿平方英寸 39.55 36.13 44.69 55.51 39.40 46.81 19年总产值 / 亿美元 70.00 54.00 59.00 75.00 52.00 55.00 6硅片平均价格 /（ 美元 /m2） 1.77 1.51 1.32 1.35 1.39 1.17 - 16图 1 硅片直径的变化图 2 测试仪器显示图42接投影，直接投影的系统需要考虑的是整个硅片的平整度，而分步进行投影的系统需要考虑的是投影区域的局部的平整度 。 硅片的平整度一般用 TIR 和 FPD 这两个参数来表示 。 平整度是一个表面 （ surface） 特性， 用 um 表示且能依据 ASTM Std F- 775- 83 来测量 。（ 2） 测试仪器 。 测量硅片平整度有声学法 、 干涉测量法 、 电容法和激光束反射法四种常用的方法， 都是非接触式， 是为了减少对硅片表面的损伤和沾污 。（ 3） 测试方法 。 TIRTotal Indication Reading表示法对于在真空吸盘上的硅片的上表面， 最常用的参数是用 TIR 来表示 。 如图 5 所示， 假定一个通过对于硅片的上表面进行最小二次方拟合得到的参考平面， TIR 定义则为相对于这一参考平面的最大正偏差与最大负偏差之和 TIRabFPDFocal Plane Deviation表 示 法 ， 如 果 选 择 的 参 考 面与 掩 膜 的 焦 平 面 一 致 ， FPD 定 义 则 是 相 对 于 该 参 考 面 的正或负的最大偏差中数值较大的一个， 如图 4 所示 。即 FPDa（ a＞ b）b（ a＜ b ）1.4 粗糙度（ 1） 定义 。 粗糙度泛指晶片表面轮廓高低起伏的度量值 。 一般在 102～ 105nm 度量值范围内 。 包括平均粗糙度（ Average roughness） 、 微粗糙度 （ Micro roughness） 、 均方根微粗糙度 （ Rms micro roughness） 和均方根区域微粗糙度 （ Rmsarea micro roughness） 。（ 2） 平均粗糙度 Ra。 平均粗糙度是指求值长度 L 内对于中间线 （平均线） 来说， 表面轮廓高度偏差 Z（ x） 的平均值 。（ 3） 微粗糙度 。 微粗糙度是指硅片表面粗糙度分量（凹凸不平 ） 的不均匀度之间的间隔小于 100um。 它是硅片表面纹理的标志 。 微粗糙度测量了硅片表面最高点和最低点的高度差别， 它的单位是纳米 。（ 4） 均方根微粗糙度 Rq。 均方根微粗糙度是表面轮廓高 度 与 求 值 长 度 L 内 得 出 的 相 对 于 中 心 线 的 表 面 剖 面（轮廓 ） 高度偏差 Z（ x） 的均方根值 。（ 5） 均方根区域微粗糙度 RaA。 均方根区域微粗糙度指 表 面 轮 廓 高 度 与 求 值 区 域 L 内 （ LxLy） ， 得 出 的 相 对 于中心面的表面相形貌偏差 Z（ x） 的均方根值 。1.5 弯曲度（ 1） 定义 。 弯曲度是指硅片处于没有受到夹持或置于真空吸盘上的状态下， 整个硅片凹或凸的程度， 该方法与硅片厚度变化无关 。 弯曲是硅片而不是硅片表面的松密度 （ bulk） 特性， 弯曲度的单位是 um。 弯曲度是依据 ASTMStd F- 534- 84 来测量的 。（ 2） 测试仪器 。 测量仪器由测量夹具和位移测量装置组成 。 测量夹具的三个支承柱等距离地配置在比硅片标称直径小 6.35 0.13mm 的圆周上 。 位移测量装置的分辨率为 lum， 测量压力应小于 278mN。（ 3） 测试方法 。 使硅片正面朝上， 测量硅片正面中心点和由三个支承柱所形成的基准面之间的距离，得到测量值 f， 使硅片反面 朝 上 ， 测 量 硅 片 反 面 中 心 点 和 由 三 个支承柱所形成的基准面之间的距离， 得到测量值 b。 通过两组数据即可计算出硅片的弯曲度 （见图 6） Bow（ b- f） /21.6 翘曲度（ 1） 定义 。 翘曲度是指硅片处于没有受到夹持状态下的中心面与参考面之间的最大距离与最小距离之差 。 翘曲 也 是 一 种 松 密 度 （ bulk） 特 性 （用 um 表 示） 且 不 应 与 平整度混淆起来 。 这能依据 ASTM Std F- 657- 80 来测量的 。（ 2） 测试仪器 。 测量仪器由测量仪和 （下转第 57 页）工 艺 与 装 备 43（上接第 43 页 ） 探头组成 。 探头是非接触式， 分辨率不低于 0.25um 。（ 3） 测试方法 。 把硅片放在支承柱上， 使探头沿扫描图形路线进行曲线和直线段扫描 （见图 7） ， 分别成对记录被测点上 、 下表面的位移量 。 在每组数据中， a 为硅片上表面 与 上 探 头 之 间 的 距 离 ， b 为 下 表 面 与 下 探 头 之 间 的 距离， 被测硅片的翘曲度可以表示为Warp [（ b- a） max -（ b- a） min] /21.7 总厚度变化 （ TTV）（ 1） 定义 。 总厚度变化是指在厚度扫描或一系列点的厚度测量中， 最大厚度与最小厚度的绝对差值 。 它是依据ASTM Std F- 533 来测量的 。（ 2） 测试仪器 。 与翘曲度类似 。（ 3） 测试方法 。 在进行厚度测量时， 由最大值减去最小值就得到总厚度变化 （见图 8） 。TTV b- a2 结束语硅片几何参数完全取决于硅片加工过程， 因此与硅片生产直接相关 。 随着生产工艺技术的发展和产品标准的提高， 对硅片的几何参数的要求越来越高， 其检测水平也会进入新的阶段 。参考文献[1] 江 瑞 生 . 硅 片 的 几 何 参 数 及 其 测 试 ， 上 海 有 色 金 属 ，1994.6.[2] 张志刚 . 硅片平整度及其测试 ， 半导体杂志， 1984.6.[3] Annual Book of ASTM Standards.[4] SEMl Specification for Polished Monoctystallinv Silicon Wafers.[5] 半 导 体 制 造 技 术 ， Michael Quirk ， Julian Serda， 电 子 工 业 出版社， 2004.1.[6] 张 厥 宗 . 硅 单 晶 抛 光 片 的 加 工 技 术 ， 化 学 工 业 出 版 社 ，2005.8.Geometric Parameters and Test of Silicon WaferSUN Xiaobo, MIAO Zezhi , LI Yongsheng（ CETC No.2 Research Institute,Taiyuan 030024）Abs tract This article introduces the principle and method fortesting ,the meaning of geometric parameters of silicon wafers such asdiameter, thickness, flatness, roughness, bow and warp ．Ke y words silicon wafer, geometric parameters, test and mea-surementStudy and Improve ment of 12500kVA Submerged- arcFurnace Pressure Ring and a Prote ction Sleeve LeakageDONG Jian, LIU Ming（ Shandong Shiheng Special Steel Group Co.,Feicheng 271612）Abstract This paper mainly analyzes the influence of waterleakage, oil leakage and pressure ring protective sheath water leakagefault causes as the running environment and equipment structure itselftwo aspects. The improved device structure, effectively eliminating thepressure ring water leakage oil leakage and water leakage fault protectivesleeve, reduces ore furnace downtime, brings good economic benefits.Ke y words ore furnace, cylinder type pressure ring, cover, holder工 艺 与 装 备 57