硅片研磨论述

1班级 10 光伏班姓名黄重宪学号 10366016硅片研磨论述目录一、 硅片倒角简介；二、 硅片倒角加工原理三、 硅片表面磨削技术及特点四、 硅片热处理一、硅片倒角简介硅片倒角是指把切割后硅片的锐利边缘通过磨削修整成圆弧形，其目的是消除边缘切割应力， 防止边缘破裂及颗粒脱落本文对硅片倒角机磨削系统的关键技术进行研究 本文通过对主轴系统的轴承组配方式、预紧方式、 离心力和陀螺力矩等主轴轴承应用理论的研究，确定了主轴轴承及支撑结构分析滚珠丝杠、 滚动直线导轨的特点和工作台机械传动机构系统特性， 得出了提高系统定位精度和提高系统跟随指令的方法， 确定了工作台滚动直线导轨和滚珠丝杠的支撑形式研究精密磨削的特点， 分析了影响倒角质量的主要因素， 对磨削力和磨削热造成的局部表面温度进行了理论计算， 确定了硅片倒角的磨削深度、磨削速度和冷却液流量等系统工艺参数 本文针对单晶硅片的边缘磨削特点和要求， 通过主轴轴承应用理论和工作台应用技术研究及磨削力和磨削温度的分析设计了磨削系统机械结构对主轴刚性和滚珠丝2杠轴向刚性误差进行了理论计算对磨削主轴模态及共振频率使用ANSYS软件进行分析对系统设计进行试验验证和数据分析通过研究解决了硅片边缘精密磨削问题 硅片倒角机磨削系统关键技术的研究对半导体硅片精密磨削技术的发展及半导体精密加工设备的制造具有一定的应用价值二、硅片倒角加工原理1加工流程硅片的受入 硅片的洗净（ AC-2N 硅片的倒角 硅片的厚度分类 硅片的交 付2倒角的目的1、避免边缘崩裂硅片在加工和使用过程中会受到片盒或机械手等的撞击，硅片边缘会产生应力集中而导致破裂，破裂的颗粒会形成污染。2、防止晶格缺陷的产生硅片在进入元器件的制造过程中会有较多的热周期，这些加热或冷却的过程非常迅速，在某些区域会产生热应力，一旦热应力超过晶体的弹性强度，会产生差排及位错，而硅片的边缘正是热应力易于集中的区域3、增加外延层及光阻层的平坦度外延生长过程中锐角区域的生长速率会比平面高，因此使用3未经倒角的硅片容易在边缘区域产生突起（ 3）倒角重要制程参数2.1 倒角角度 常见的倒角角度 （ θ有 11 （ H 型） 及 22 （ G 型）两种； 影响因素为 1、 磨石角度不良 2、 磨石沟槽的磨损 检测装置为倒角轮廓仪；2.2 倒角宽幅 影响倒角宽幅的主要因素1、硅片厚度；2、硅片翘曲；3、设备厚度有无补偿； 检测装置显微镜2.3OF 方位 影响因素为倒角机中心定位装置、晶棒本身； 检测装置 OF 方位测定仪 ; 2.4 倒角直径 影响因素为设备故障、设定错误； 测定装置游标卡尺；（ 4）倒角工程的主要缺陷及产生原因3.1 倒角工程的主要缺陷 倒角残留4 宽幅不均 倒角崩边 裂纹3.2 产生缺陷原因 倒角残留中心定位装置故障或中心定位不到位； 宽幅不均硅片厚度不良、硅片翘曲、磨石精度不良； 倒角崩边1、硅片厚度（薄片容易产生崩边）2、磨石金刚石不均匀；3、冷却水流量不足或位置的偏离； 裂纹1、倒角机吸附部件上有异物；2、研削台上有毛刺；（ 5）无厚度补偿设备加工 H 型产品原理分析（ 1）右图为 H 型硅片剖析图， a 为硅片厚度偏差， b 为硅片宽幅偏差（按规格 b 在＋ /－ 100um 内为良品） ；（ 2）从三角函数可得 a＝ b*tg θ＝ 100*tg11 ＝ 100*0.195 ＝ 19.5。（即理论上硅片厚度偏差超过＋ /-19.5um 时，硅片将因宽幅超出规格而造成不良。 ）方法51）将硅片按正常（ 10um ）的厚度段进行分类；2）把相邻三个厚度段的中间值作为厚度规格值分别进行倒角；三、硅片表面磨削技术及特点在 IC 制造的前道工序中 , 需要将硅单晶棒切割成的晶片加工成具有高面型精度和表面质量的原始硅片或光片 , 为光刻等工序准备平坦化、超光滑、 低损伤的衬底表面。 硅片切割后 , 表面会残留切痕和微裂纹 ,损伤层深度可达 10～ 50μ m。通常采用游离磨料双面研磨工艺消除切痕、减小损伤层深度和改善面型精度。虽然硅研磨片可以达到较高面型精度 , 但表面粗糙度较高 , 仍有 4～ 8μ m的损伤层 , 最后通过化学机械抛光 CMP获得超光滑无损伤的表面。 在通过研磨腐蚀抛光完成的硅片超精密平坦化过程中 , 由于游离磨料研磨的加工效率较低 , 且会产生较深的表面损伤层 , 腐蚀去除损伤层的过程不易稳定控制 , 会影响研磨后硅片的面型精度 , 这势必要增加最终 CMP平整化的时间。此外 , 传统工艺中大量使用的腐蚀化学试剂、研磨抛光液及清洗液还存在环境污染问题。当硅片直径加大 ≥200mm后 , 传统加工工艺在面型精度和生产效率等方面的缺点将更加突出。一方面 , 加工大直θ ＝ 11基准面θ ＝ 11ba基准面无厚度补偿设备 有厚度补偿设备6径硅片时 , 研磨和抛光盘尺寸需要相应加大许多 , 而大尺寸的研磨盘很难达到很高的面型精度 , 机床占用空间和能源消耗也相应增大 ; 另一方面 , 硅片厚度增加使材料去除量增加 , 而每盘加工大直径硅片的数量有限 , 因而使硅片的产量减少。由于传统研磨工艺不适应大直径硅片的加工 , 人们开始研究新的加工技术来改进工艺。1988 年 S. Matsui 等人提出了硅片自旋转表面磨削方法 , 加工原理如图 2 所示。这种工艺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 , 杯型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。硅片自旋转表面磨削法有如下优点 1 在加工脆性材料时 , 当磨削深度小于某一临界值时 , 可实现延性域磨削 ; 2 通过同时提高硅片转速和砂轮轴向进给速度 , 可以在保持与普通磨削同样深度的情况下 , 达到较高的材料去除率 , 适用于大余量磨削 ; 3 砂轮与硅片的接触长度、接触面积、切入角不变 , 磨削力恒定 , 加工状态稳定 , 可以避免硅片出现中凸和塌边现象 ; 4 磨床只有沿磨削主轴方向的进给运动 , 有利于提高机床的刚度 ; 5 通过调整砂轮轴线和工作轴线之间的夹角 , 可以补偿由于机床变形引起的砂轮轴线和工作台轴线不平行 ; 6 砂轮转速远高于硅片转速 , 因此砂轮的磨损对硅片平整度的影响小 ; 7 自旋转磨削每次只加工一个硅片 , 磨削进给不受硅片与硅片之间7加工余量不均匀的限制 ; 8 硅片自旋转磨削设备结构紧凑 , 容易实现多工位集成 , 实现磨削抛光一体化。自旋转表面磨削实质上是采用金刚石磨头直接对硅片表面进行磨削加工。在磨削加工过程中 , 选用合理的工艺条件 正向压力、 金刚石磨头的粒度、 磨盘的转速、 切削液粘度及流量等 ,可获得较大的磨削速率。自旋转表面磨削具有加工效率高 , 加工后表面平整度好 , 成本低 , 产生的表面损伤小等优点 , 故在大直径抛光片制备工艺中 , 已逐步采用表面磨削技术来代替传统的双面研磨技术。四、硅片热处理研究人员 [ 1214] 经多方面的试验表明 , 将抛光硅片在高温和氢气或氩气气氛下进行退火热处理 , 能够明显改善抛光硅片的质量。 日本东芝陶瓷公司已用这种技术生产出称为高质量硅片的产品 , 并已用于集成电路生产。研究表明 , 氢和氩在高温下能促进硅中的氧外扩散 , 从而在硅片表面形成一层低氧区 , 即洁净区 , 从而减少或消除了与氧有关的晶体缺陷 , 提高了硅片的质量。Stefan[ 15] 定量地研究了氢对增强硅中氧扩散的作用 , 即使在 400时 , 硅中氧的正常扩散系数为 1610-20cm2s1, 在氢气中由于氢的作用使氧的扩散系数增大到 1110-13cm2s1, 也就是使氧的扩散系数增大了 68 106倍。 硅片高温热处理对减少 COP缺陷有明显的效果。图 4 显示了不同的退火温度和气氛对减少 COP缺陷的效果 [12] 。 研究8结果显示 , 硅片在 1200氩气气氛中退火效果最佳。 图 5 是 SC1清洗次数与 COP缺陷密度的关系 [ 16] 。上面一条曲线是平常用的 CZ抛光硅片 , 随着 SC1次数的增加 , COP缺陷数增加 ; 下面的曲线是经过氢气高温退火的 CZ抛光硅片 , COP缺陷数基本上与 SC1清洗次数无关 , 说明 COP缺陷在氢气高温处理时减少很多。缺陷数的影响氢气高温处理对减少 LSTD缺陷也有明显的效果 , 图 6 是氢气高温处理的硅片与未处理的硅片 0 5m表层中 LSTD缺陷数的直方图 [ 16] 。统计对比了原始硅片和经过热处理后的 LSTD缺陷数。 对于原始硅片 ,经氢气高温处理的硅片的 LSTD数比未经处理的硅片的 LSTD数少。 对于器件工艺热处理后的硅片 , 经氢气高温处理的硅片 LSTD数有所减少 , 而未经氢气高温处理的硅片 LSTD数增加了近 1 倍。图 6 硅片05m表层中 LSTD数随着 ULSI 对硅片质量要求的提高 , 近年来发展了一种检测硅片质量的方法 , 称为栅氧化层的完整性检测 GOI。即在硅片上生长氧化层 , 由于氧化层质量与硅表面缺陷和平整度有直接关系 , 从而用检测氧化层的击穿特性来反映硅片的质量。做 GOI 检测时 , 在抛光硅片上制作掺杂多晶硅栅的 MOS电容器 , 栅氧化层的厚度为 25nm, 电容器的面积为 8mm。 在 MOS电容器上加 8MV/ cm的电场 , 当电容漏电流 105A, 即判为栅氧化层击穿。经研究 , 影响 GOI合格率的缺陷是 OSF、 COP、 LSTD、 FPD、 D缺陷以及硅片表面的微粗糙度。实验结果表明 , 抛光硅片经91200氩气或氢气气氛退火 , GOI 合格率较高 , 退火时间以 2 小时为佳。 不同的退火条件对 GOI合格率的影响和硅外延片对器件合格率的影响 , 器件用归一化合格率。统计显示后两种硅片合格率高 , CZ 抛光硅片合格率低。经不同研究组的研究 , 抛光硅片经过氩气和氢气高温退火会减少或者消除 LSTD、 FPD、 OSF和 BMD 等缺陷 , 提高 GOI合格率 , 器件试验表明能提高器件的合格率。 总之 , 硅片的高温氩或氢处理提高了硅片的质量。4 结 论1 随着集成电路的发展 , 对硅中微缺陷的研究在深入。2 COP、 LSTD、 FPD都是近年来研究发现的微缺陷 , 它们与硅中的空位和氧有关。 这些缺陷连同 BMD和 OSF都影响硅片的质量 , 从而影响器件的性能和合格率。3 硅片在氢或氩气中高温退火 , 会加速硅中氧外扩散 , 在硅片表面能形成一层低氧洁净区 , 极大地减少了与氧有关的缺陷 COP、 LSTD、 FPD、 BMD和 OSF, 提高了 GOI 的合格率。4 硅片在氢或氩气中高温退火是提高硅片质量的有效方法之一。