硅加工研究教学教材.ppt

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1、硅加工研究目的：利用外圆切割（OD）机、带锯或内圆切割（ID）机切去单晶锭的头尾非等径部分，以及不符合产品要求的部分；同时切取供检验单晶锭参数的检验片，并按规定长度将晶锭分段。外圆切割机的刀具是在金属片的外圆边镀上一层金刚石颗粒，在刀片旋转的过程中将晶锭切断。缺陷是：晶体直径越大,外圆刀片的直径也越大，刀片厚度也越大，晶体损失也越大。带锯和内圆切片的刀具是在其刀刃上镀上一层金刚石颗粒，用刀具的运动进行切割。优势：节省原料。13.113.1切头去尾切头去尾对太阳能电池用单晶硅切头去尾时要注意切断面与晶锭轴线尽量垂直，以利于多线切方。切割时必须要用水冷却，即可带走热量又可带走切屑。生长的单晶直径一

2、般来说都比需要加工的晶片大24mm，而且有的单晶特别是晶向生长的单晶，晶棱可能成为一个小面，因此需要对晶体进行外径滚磨，使之成为标准的圆柱体。注意事项：晶锭一定要固定牢靠，且要对中精确；每次磨去的厚度不要太大。为了减小损伤层厚度，先用粗颗粒磨轮磨，（粒度小于100#），后用细颗粒磨轮磨（粒度介于200#400#）。用水冷却，带走热量磨屑。13.2 13.2 外径滚磨外径滚磨用于制作集成电路（IC）等的硅片，需要磨定位面或定位槽（V形槽）。用于制作二极管、可控硅及太阳能电池等的硅片，无需有定位面。磨定位面或定位槽是在装有X射线定向仪的外径滚磨机上进行的。一般磨两个面，一个较宽的面（110）面，称

3、为主平面，作为对硅片定位用；另一个平面较窄，称为次平面，标识晶锭的晶向和型号。13.3 13.3 磨定位面（槽）磨定位面（槽）对用于太阳能电池的硅单晶不需磨定位面，但需要切方锭。浇铸的多晶硅锭也需要开方，并去掉不符合使用要求的顶层和底层部分。切方可用带锯也可用多线切方机。切片就是将晶锭切成规定厚度的硅片。两种方式：内圆切割和线切割。内圆切割内圆切割：刀片是用不锈钢制作的，在内径边沿镀有金刚石颗粒做成刀刃，将刀刃装在切片机的刀座上，施以各向均匀的张力，使刀片平直。将晶锭先用黏结剂粘在载体上，载体板面具有与晶锭外圆同样的弧形，然后将载体与晶体一起固定在切片机上，设定好片厚度及进刀速度后使内圆刀片高

4、速旋转，从硅锭一端切出一片硅片，重复操作，将整支晶锭切出等厚度的硅片。切完后将其取下浸入热水中，除去黏结剂。13.4 13.4 切片切片注意事项：1 1、调整好刀片的张力调整好刀片的张力施加张力可用水压方式和机械方式两种。理论上水压优于机械，但是设备经常出现渗漏和降压问题而影响张力吗，一般采用机械方式。机械方式采用螺丝固定方式，一般利用测量刀片内径的变化来判断施加在刀片上的张力是否均衡。摩擦力和热会影响张力状况，需及时调整。2 2、修整刀片修整刀片刀片上的金刚石颗粒各方向的磨损不会是均衡的，可能引起非直线切割，对磨损较弱的一方必须用约320目粒度的氧化铝磨棒来进行修整。3 3、保证冷却水畅通、

5、保证冷却水畅通切割处一直要用冷却水冲淋，冷却水既可以带走切屑（硅粉）又能带走切割时产生热量。一般选用自来水。多线切割多线切割：自由研磨剂切削方式，机子使用钢线由送线轮开始缠绕，再绕过安装柄杆（安装柄杆上有很多等距离的沟槽），从柄杆出来的线，最终回到回线导轮上。切割时钢线上喷洒由油剂和碳化硅混合而成的浆料，浆料既是研磨剂又是冷却剂。张力要适当 浆料可以回收经处理后再使用，但必须保证浆料的粘稠度、油剂不得变质等。浆料中的研磨粉粒度一般用800#，加工直径300mm的硅片用1500#1800#，硬度高价格不贵。线切割的片厚由安装柄杆上沟槽的间距决定，其切割速度主要由导线的抽动速度及导线施加于晶锭上的

6、力量决定。1.多线切割损耗晶体少2.多线切割的晶片表面损伤层薄。厚片损伤层可通过研磨来消除，但损伤较大；而对薄片来说，研磨的碎片率会很高，损伤很大。3.多线切割片可以直接用来制作太阳能电池、高压硅堆、二极管等，而无需研磨。内圆切割片则需要研磨后才能使用。4.多线切割片的技术参数由于内圆切割，有利于加工高质量的抛光片。5.多线切割的生产效率高，一次可以切出几千片，而内圆切割只能一片一片地切。多线切割与内圆切割的比较多线切割与内圆切割的比较:6.多线切割机可以加工直径200mm以上的晶体，而内圆切割只能加工直径200mm一下的晶体。7.多线切割的钢线的不良状态难以发现，也无法修整，当钢线内部存在0

7、.25m的缺陷时，在加工过程中就极易断裂，一旦断裂加工中的晶体全报废，损伤较大。而内圆切割则可预先测出刀片的不良状态并予以修整。对小直径晶体而言，内圆切割应用更广泛。8.多线切割消耗品的费用比内圆切割高，大约在两倍以上。总的来说加工大直径的晶体多线切割较好，单位成本总的来说加工大直径的晶体多线切割较好，单位成本比内切割低比内切割低20%20%以上，加工小直径的晶体采用内圆切以上，加工小直径的晶体采用内圆切割更有利。割更有利。1 1、晶片的晶向、晶片的晶向按照客户的要求调整好晶向的偏离度数。2 2、晶片的总厚度偏差（、晶片的总厚度偏差（TTVTTV）TTV是指晶圆最大与最小厚度之差。使用多线切割

8、机切直径200mm的晶片，TTV可控制在20 m以下。3 3、翘曲度（曲度（WarpWarp）翘曲度定义为参考平面至晶片中心平面最大距离与最小距离之差。使用多线切割机切直径 200mm的晶片，Warp可控制在40 m以内。晶片的技术参数晶片的技术参数4 4、弯曲度（、弯曲度（BowBow）表征晶片的凹状或凸状变形程度的指标。Bow=(a-b)/2多线切割的弯曲度几乎为0.切片的硅片具有锐利的边缘。但是在器件制作过程中，转移和热过程极易造成晶片崩边和产生位错及滑移线等缺陷，崩边产生的碎晶粒还会划伤晶片，造成器件制作的高不良率。若用以生长外延片，因锐角区域的生长速率比平面处高，造成边缘区域突出。为

9、了改善将锐边磨成弧形为了改善将锐边磨成弧形，即对晶圆边进行倒即对晶圆边进行倒角处理角处理。13.5 13.5 倒角（圆边）倒角（圆边）倒角可用化学腐蚀及轮磨等方式来实现，因化学腐蚀控制较难，且易造成环境污染，一般采用轮磨方式。轮磨的边缘用圆形和梯形两种。倒角机一般是自动化的。倒角机的磨轮具有与晶片边缘形状相同的沟槽，沟槽内镶有金刚石颗粒。晶片被固定在真空吸盘上，磨轮高速旋转，晶片慢速旋转。磨轮对晶片的研磨力是可控的，可使倒角达到最佳效果。切割出的晶片技术参数较差，表面的损伤层较厚，达不到用以制作抛光片和一些元件制作的要求，必须通过研磨来改善晶片的技术参数和消除切片的刀痕及损伤层。较常用双面研磨

10、机。13.6 13.6 研磨研磨研磨机的组成研磨机的组成：两个反向旋转的上下研磨盘；：两个反向旋转的上下研磨盘；整个置于上下磨盘之间用以承载晶片的载具；整个置于上下磨盘之间用以承载晶片的载具；用以供给研磨浆料的设备用以供给研磨浆料的设备1.1.上下研磨盘上下研磨盘用球状石墨铸铁制成，之所以选用球状石墨铸铁是因为它具有合适的硬度和耐磨性。太软，浆料会嵌入磨盘内，造成晶片划伤；太硬，浆料颗粒挤向晶片，造成晶片损伤。研磨盘上具有一些垂直交错的沟槽。可使研磨浆料分布均匀，也能及时排出磨屑和磨浆。上磨盘的沟槽细而密是为了减少晶片与研磨盘之间的吸附作用，利于研磨结束晶片的取出。2.2.载具载具用以承载硅片

11、的载体。人工放置。弹簧钢制成，晶片安置在载具的圆洞中，直径略大于晶片直径。由内外环的齿轮带动。3.3.研磨浆料研磨浆料主要成分：氧化铝、锆砂或金刚砂、水及界面湿性悬浮剂。氧化铝的粒度在610 m，韧性、硬度较碳化硅好，普遍采用。由上磨盘注入。主要控制磨盘速度与施加于磨盘上的压力。初始阶段，由小慢慢增加，使浆料均匀散开，有利于去除镜片上的突出点。若压力太大力量集中在突出点晶片易破裂。稳定状态。结束阶段压力慢慢降低。修整修整:一、用铸铁修整盘对上下磨盘同时进行修整，形状与载具相同。二、上下磨盘直接相互研磨 研磨操作：研磨操作：若需抛光加工就需要对研磨片进行腐蚀处理。通常采用化学腐蚀。分为酸腐蚀和碱

12、腐蚀两种。酸腐蚀酸腐蚀：等方向性腐蚀，腐蚀液由不同比例的硝酸、氢氟酸及缓冲液配制而成。硝酸硝酸是氧化作用，氢氟氢氟酸酸是溶解二氧化硅，体积比为5:1。缓冲液缓冲液具有缓冲腐蚀速率的作用，还有改善晶片表面的湿化程度，避免产生不规则的腐蚀结构。缓冲液一般采用磷酸或醋酸，醋酸极易挥发，在腐蚀液中的浓度不易稳定，磷酸会降低腐蚀速率。13.7 13.7 腐蚀腐蚀1、腐蚀界面层的厚度影响着分子的扩散，从而影响腐蚀速率，一般采用晶片旋转及打入气泡等方式进行搅拌，减小反应层厚度。2、腐蚀温度一般控制在1824,过高的温度有可能使金属杂质扩散进入晶片表面。3、腐蚀器件为聚二氟乙烯制成。4、腐蚀完成后，要快速进行

13、冲洗，转移时间控制在2s以内 注意事项：注意事项：是一种非等方向性的腐蚀，腐蚀速率与晶片的结晶方向有关。（111）晶面具有较小的自由基不易被-OH腐蚀。腐蚀剂为KOH或者NaOH。KOH的浓度控制在30%50%，反应温度为60120。腐蚀速度随浓度的增加而增加，达到最大值后，会随KOH浓度的增加而减小。浓度较高时，不仅有利于控制腐蚀速率，因黏度较高，也使晶片上比较不易留下斑点。碱腐蚀与晶片表面的机械损伤程度有关，一旦损伤层完全去除，腐蚀速率就会变缓慢。碱腐蚀碱腐蚀 酸碱腐蚀的比较酸碱腐蚀的比较参数酸腐蚀碱腐蚀反应性质放热吸热腐蚀方向性无方向性有方向性金属污染程度腐蚀液纯度高，温度低，污染程度小

14、纯度低，温度高，污染程度大平整度需使用特制片盒装载晶片并用打入气泡等方式改变平整度不需要特制载具，晶片不需旋转，不用打入气泡等就能得到一定的平整度粗糙度较小，与晶片原损伤层程度有关较大，与晶片原损伤层程度有关表面残留微粒难以去除晶片原有的微粒不易吸附微粒较易去除晶片原有的微粒，较易吸附微粒斑点晶片转移时间须小于2s，低电阻率晶片交易产生斑点转移时间须小于4s，与晶片电阻率无关成本约为碱腐蚀的2倍制作集成电路的硅片必须进行晶圆表面及边沿的抛光，抛光采用化学机械方式。边沿抛光的目的是降低边沿附着微粒的可能性，并使晶片在集成电路制作过程中减少崩边损坏表面抛光的目的是改善表面的技术参数，提高表面性能，

15、以满足集成电路制作的需要。步骤：粗抛和精抛 13.8 13.8 抛光抛光粗抛的主要作用是为去除磨片的损伤层，去除量为1020 m.精抛的主要作用是改善晶片的粗糙程度，去除量不足1m。13.9 13.9 清洗清洗表面杂质的来源：在切割、磨片等加工的步骤里，机械上各种油脂中、润滑油、防锈油等固定硅片需要的各种黏合剂、松香、石蜡等切和磨所用的不同磨料，SiC、Al2O3、人造金刚石等抛光硅片：MgO、SiO2等冲刷用水：Ag、Cu、Fe、Ni、K、Na、Ca、Mg；F、Cl、O、H等即使清洁的硅片暴露在空气中长时间也会引入杂质 12.9 12.9 清洗清洗清洗的目的是清除晶圆表面的污染物（微粒、金属

16、杂质、有机物），采用湿式化学清洗清洗环境的洁净度要求特别高，清洗台局部区域要求洁净度为1级（空气中0.1 m 的微粒数不得多于10个/）。空气中挥发物也需严格控制。化学品的纯度必须是超级纯，金属不纯物小于0.1ppb,所含0.2 m 的微粒必须小于200个/。分子型杂质：天然或合成油脂、树脂离子型杂质：K+、Ca2+、F-、(CO3)2-等原子型杂质：Ag、Cu、Fe、Ni等、去除一般程序：去油去离子去原子去离子水冲洗去油：四氯化碳、丙酮、甲苯等有机溶剂去离子：酸、碱溶液或碱性双氧水去原子：王水、酸性双氧水（兼具去离子作用）污染杂质的类型污染杂质的类型 2 2、基本原理、基本原理湿式化学清洗（

17、RCA）的清洗液有两种SC-1和SC-2SC-1由 组成，称为APM。浓度为1:1:51:2:7,适合清洗的温度是7080。SC-1具有较高的PH值，可有效的去除晶圆表面的微粒及有机物。SC-2由 组成，简称HPM。浓度比为1:1:61:2:8,适合清洗的温度为7080。SC-2具有较低PH值，可与残留金属形成可溶物。SC-1中的双氧水H2O2将硅晶片表面微粒氧化溶于清洗液中去除，也可以利用超声波等方式去除微粒，当超声波平行于晶圆表面时，会逐渐湿化微粒使其脱落。当超声波施加到SC-1清洗液槽中，可于40去除微粒。SC-1清洗液对硅片有轻微腐蚀作用，通过对硅片腐蚀也可使微粒脱落，但是时间不宜过长

18、，易造成晶圆表面微粗糙度增加。SC-1 SC-1和和SC-2SC-2的清洗原理的清洗原理金属污染将导致晶片热氧化层错的产生，影响元件品质。SC-1和SC-2中的高氧化的H2O2，去除金属杂质。SC-1去除B族、B族、Ni、Co、Cr等金属杂质。SC-2去除碱金属离子、Cu、Au、等残留金属和Al(OH)3、Fe(OH)3、Mg(OH)2、Zn(OH)2氢氧化物金属离子。去除有机物靠SC-1中的双氧水(H2O2)的氧化作用和氨水（NH4OH）的溶解作用，也可以使用SPM（H2SO4+H2O2+H20）清洗去除。浸泡式湿式化学清洗硅片的步骤（6步）：1、装硅片的塑料晶舟置于装有SC-1的清洗槽中，

19、超声波清洗约5分钟2、去离子水清洗或高速冲洗3、晶舟转入装入SC-2清洗液的清洗槽中，去除残留金属离子4、去离子水清洗或高速冲洗5、去离子水和超声波清洗6、烘干 湿式化学清洗湿式化学清洗人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢