发布时间 : 星期五 文章硅片生产过程详解 - 图文更新完毕开始阅读64ade54851e79b89690226a9
图3.1磨片机俯视图
图3.2磨片机侧视图
磨盘的组成
磨盘一般由铸铁制成，但也可能是塑料制的。不考虑金属的沾污，使用铸铁可以耐用而且其机械特性能适合磨片。铸铁的硬度使研磨颗粒不会嵌入到盘中，如果颗粒嵌入到磨盘中，就会刮伤硅片表面。这些刮伤在后面的工序中很难去除，铸铁的磨盘也不能太硬，如果磨盘太硬，它会压迫研磨颗粒进入硅片，使硅片增加额外的损伤。铸铁材料应有一合适的硬度来制作磨盘使颗粒能均匀地对硅片进行研磨。这个过程总会在表面留下损伤，但这种损伤很均衡，且在后面的过程中也容易去除。
磨片过程对硅片的最终平整度有很大的影响，因此，磨盘必须很平整。为了保持硅片和磨盘的平整度，磨盘和载体的转速需要很好地控制。另外，随着磨片机其它各部件的运转，转速反过来又有利于磨盘平整度的维护。
磨盘表面和磨液供应
磨盘是带齿轮的，齿轮有利于磨液的均匀分配，防止磨盘被淹没，并保持硅片紧贴表面。齿轮还能使磨液在硅片表面流动并均匀分配。如果磨盘上没有齿轮，磨液可能会流到磨盘上，如果磨盘与硅片间有太多的磨液，磨盘会浮在硅片表面的液体上。如果磨盘浮的里表面太远，就不能研磨表面，也就不能将硅片表面的损伤去除掉。如果在磨盘与硅片间的磨液太少，磨盘就会在硅片表面引起新的损伤。所以，齿轮演绎这样一个功能，即控制磨盘与硅片表面间的磨液量，并且上磨盘的齿轮能将下磨盘锁住。这样防止在磨盘最终分开时，硅片粘在上磨盘上。
磨盘旋转计数器
上下磨盘按相反方向旋转，磨盘的旋转带动硅片两侧以同样的速度旋转。这有两个目的，首先，既然硅片的两侧都以相同速度进行磨片，那么两侧都有相同的材料去除率。第二，硅片两侧有相同的转速相反的方向使硅片能固定位置。所以没有大的压力向一个方向移动硅片或另一个方向。硅片几乎不会因边缘的压力造成断裂。
上磨盘还有另外几个功能，首先是它有一些洞使磨液能流入磨片机。磨液从上磨盘流入，然后流入到机内。另一个功能是上磨盘提供压力给硅片，上磨盘通过气压下降压下，在磨片的第一个循环中，压力比较小，使硅片上高起的点先被磨去，使磨液均匀分配在机内。然后，
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压力逐步上升到正常操作的压力。
硅片的最终厚度应被控制，否则会不符合硅片要求的特性。因为误差容许量在微米极，所以机械的控制需相当精确。有几种控制硅片最终厚度的方法，如控制磨片时间，有一压电装置同硅片一起研磨，或者旋涡电流测试。
硅片厚度
如果决定磨片的最终厚度通过磨片时间来控制，那么应先得到设备预期执行时间。使用这种方法，是基于以往的磨去率，计算要磨去正确材料量所需时间，然后，允许磨片机开始按这一时间进行磨片。用这种方法，要得到正确的硅片厚度很困难。这是因为每一轮的磨片条件并不相同，所以，为了更精确地控制磨片厚度，希望在磨片机上装一个厚度测试系统。
一种能在磨片时测试硅片厚度的方法是通过使用一压电材料与硅片同时研磨。因为压电材料的磨去率与硅片的相同，电讯号的频率就会发生变化。当频率对应到设定的厚度时，机器就会停止，必须指出的是，每次磨完以后，必须将压电带放回原处，这样才会反映出硅片的厚度。
另一种方法是使用旋涡电流传感器，磨盘之间的距离能通过位于上磨盘上的传感器测量到。这种传感器依据上下磨盘间的间隙距离发出信号。所以，要决定硅片的厚度，研磨砂的厚度和磨盘的磨损量必须也考虑到。
硅片表面的去除
使用一种含研磨砂的悬浮液组成的磨液来研磨硅片表面。典型的研磨砂是由9μm大小的经煅烧的氧化铝颗粒组成。这种颗粒悬浮在水和添加剂的混合液中，添加剂一般为丙三醇（甘油）。混合液有利于保持研磨砂的悬浮并均匀散布。
悬浮液中的研磨砂压迫硅片表面并使其磨损，去除硅片表面的物质，这样能将表层的切片损伤清除掉。整个过程会磨去75-100μm的表层。在最终磨片结束时，硅片的平整度是最平整的，以后的步骤都会使其平整程度下降。
磨片之后，硅片表面残留有许多磨片过程中产生的硅的颗粒，这种颗粒尺寸很小，并会引起一些问题。如果要烘干硅片，颗粒会粘在硅片表面，而一旦这样粘住，就很难再去除掉。所以，硅片必须保持湿润，直至表面颗粒被清除。
硅片研磨—可选择的过程
磨片的一个可选择的过程是硅片研磨。在这个过程中，硅片用一旋转的真空吸头固定住，一个钻石磨轮会经过硅片。会周期性更换有更小尺寸磨砂的磨轮，这样在研磨的一开始，能快速去除大量含损伤的表层材料，同时磨砂也会造成相对多的损伤，但不会象原始的那样多。然后，磨砂尺寸减小，研磨率也降低，几乎不会引起表面损伤。
然而，这种方法有几个不利之处，第一个问题是既然硅片被真空吸住在一定位置，那么一次只能研磨硅片的一侧；另外的缺点是磨轮在移动，没有方法防止磨去小量不该磨去的平面，这样，很难使硅片在设定误差范围内。
这里有研磨的另一种方法，能更好地符合硅片的平整度和厚度要求。取代用磨轮移动经过硅片表面，使磨轮始终盖住硅片中心，这样使整个旋转的硅片表面都与磨轮接触而不需要移动磨轮位置。然而，这也有一些问题如这种方法的一致性，以及它的产出率很低。
应力释放腐蚀
硅片磨片之后，仍有一薄层损伤层。因为磨片只是用来磨去大多数的切片损伤，总会留下一层薄薄的均匀一致的损伤层，还需通过其它方法来清除磨片带来的损伤。通常通过化学腐蚀
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硅片表面的方法来清除这种损伤。腐蚀的方法有两种：碱腐蚀和酸腐蚀。这两种方法都在使用，而且都有各自的优缺点。
当硅片进行腐蚀时，需要有一清洁的表面。如果硅片表面有沾污，会潜在地充当了腐蚀的面具。当进行酸腐蚀时，酸先与表面的颗粒接触，将其慢慢腐蚀去除，因此就象一张面具影响了酸与硅快速接触。这就会使该区域与硅片表面其它区域腐蚀程度不一致。所以，硅片在腐蚀前必须进行清洗。典型的清洗方法是将硅片放在Teflon的片盒中，浸入含H2SO4和双氧水的溶液中，这会清除硅片表面的有机物；然后将硅片浸到氢氟酸中，HF会清除表面任何的硅末；在硅片进行清洗后，就可以进行腐蚀了，而且会腐蚀得均匀一致。
碱腐蚀
硅片腐蚀的一种方法是使用碱性氢氧化物如氢氧化钾（KOH）。用这种方法，硅片浸在45%的KOH和55%纯水的溶液中大约2分钟，通常在高温（约100℃）KOH溶液中。然后，再将硅片浸入纯水以阻断KOH与硅片表面之间的继续反应。 KOH与硅片的基本反应如下：
Si + 2H2O + 2KOH → 2H2 + Si(OH)2(O)2 +2K+
KOH的热溶液从其既定的方向侵蚀硅片，以平行于（100）平面方向速度最快，平行于（111）平面的方向最慢。因为大量的硅片在生产过程中是平行于（100）面的，所以用KOH腐蚀很适合硅片。当KOH缓慢侵入材料时，它正快速腐蚀与（100）平行的平面，使硅片表面物质快速被清除。这样的操作使硅片表面腐蚀后，仍平行于（100）面。所以，整个硅片参考面不会受碱的影响，反应是一个相对自限制过程。
自限制过程
这个过程称为相当自限制过程是因为KOH能到达的硅片任何损伤区域会快速腐蚀，然后当达到无损伤表面时，反应几乎停止。请看KOH相关的反应速率与时间的比（图3.3）。当KOH与硅片接触时间更长时，反应速率几乎趋向于零。所以，KOH腐蚀只会清除硅片表面的损伤及最小量的剩余表面层，除非KOH与硅片接触时间极其的长。由于这个原因，KOH更适合腐蚀（100）向的硅片。
硅腐蚀坑
当硅片表面有损伤时，损伤区域不再是完整的晶体结构。KOH能快速腐蚀损伤层，直到达到一无损伤平面，这个反应会在硅片表面形成一个小的腐蚀坑。然后，腐蚀会沿平行于（100）平面方向快速反应，这些腐蚀坑开始向旁边扩展。KOH只会腐蚀暴露在蚀刻剂下，有晶格损伤的区域，掩埋在里面的损伤不会被侵蚀到。这就使KOH只适合于表面损伤。
考虑（100）平面，腐蚀坑的坑壁形成角度接近于54.7°，坑的平均深度为10-15μm。因为腐蚀剂对暴露的损伤区域侵蚀速度快，所以有很多损伤的区域形成的腐蚀坑最深。这些腐蚀坑是一个问题，因为它们太深以致在后面抛光时无法去除。这些腐蚀坑还会因为颗粒陷入而使硅片表面无法清洁。
因为硅片边缘进行过倒角，存在许多损伤。KOH很快侵蚀这些区域，随着倒角边缘的连接，导致许多不同形状的腐蚀坑的出现。硅片的边缘腐蚀坑会给生产环境带来问题，因为它们会使颗粒陷入进边缘。一些边缘区域可能在腐蚀坑间突出，这些突出可能引起麻烦，因为它们可能会断裂产生小颗粒或者磨损片盒产生颗粒。
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图3.3 酸腐蚀
腐蚀的另一个方法是酸腐蚀。用于酸腐蚀的一般混合物是HNO3和HF。有时，还使用另外的化学品，如乙酸或碘，添加到混合物中使反应更能控制。在任何情况下，酸腐蚀是一个强烈的过程，而不会在某个平面存在自限制过程。酸浴的局部腐蚀速率会因局部化学品的损耗而变化。因为硅片的周围都在竞争酸液，硅片中心有腐蚀剂不充足的趋向，这会使供给硅片中心的酸液损耗，反应稍微降低。另一方面，靠近硅片边缘处，没有如此多的硅来竞争酸液，因此有充足的酸液提供，这就使反应速率在硅片边缘处达到一较高速率。这种在腐蚀速率上的差异会引起硅片象“枕头”，换句话说，硅片中心厚度略厚于边缘。
图3.3显示了典型的酸腐蚀和碱腐蚀的腐蚀速率的相互比较。可以看出，只要两者接触，酸腐蚀就一直维持在较高速率。所以，酸腐蚀必须被监视并非常精确控制在合适的硅片完成之时。另一方面，当碱液与硅片表面一直接触时，碱腐蚀速率会显著下降，这就使碱腐蚀在这类腐蚀中有优越的特性。碱腐蚀一开始的速率是由于硅片表面大量的损伤引起的。
酸腐蚀（HNO3和HF）的基础反应如下： Si(s) + 4HNO3(l) → SiO2(s) + 4NO2(g) + 2H2O(l) SiO2(s) + 6HF(l) → H2SiF6(aq) + 2H2O(l)
这个反应的一个产物是NO2，是一种气体，所以，必须采取预防措施控制它的释放。为了满足环境法律，NO2通常会用化学淋洗来消除它的释放。
两种腐蚀方法都有各自的优缺点，每种方法都有一些公司企业在运用。腐蚀剂的选择主要依赖于最终硅片需要的特性。表3.1列出了碱腐蚀和酸腐蚀的优缺点。
碱腐蚀 酸腐蚀 优先腐蚀 没有优先腐蚀
表面有腐蚀坑 无腐蚀坑
同一批腐蚀速率不变（化学量固定） 变化的腐蚀速率
自限制，易于控制 非自限制，难控制
有一平整表面 会引起“枕头”形
不会对环境释放有害气体 会释放有害气体，必须净化
表3.1 碱腐蚀与酸腐蚀的比较
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