半导体硅片生产工艺流程及工艺注意要点模板.doc
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1、硅片生产工艺步骤及注意关键点介绍硅片准备过程从硅单晶棒开始,到清洁抛光片结束,以能够在绝好环境中使用。期间,从一单晶硅棒到加工成数片能满足特殊要求硅片要经过很多步骤和清洗步骤。除了有很多工艺步骤之外,整个过程几乎全部要在无尘环境中进行。硅片加工从一相对较脏环境开始,最终在10级净空房内完成。工艺过程综述硅片加工过程包含很多步骤。全部步骤概括为三个关键种类:能修正物理性能如尺寸、形状、平整度、或部分体材料性能;能降低不期望表面损伤数量;或能消除表面沾污和颗粒。硅片加工关键步骤如表1.1经典步骤所表示。工艺步骤次序是很关键,因为这些步骤决定能使硅片受到尽可能少损伤而且能够降低硅片沾污。在以下章节中
2、,每一步骤全部会得到具体介绍。表1.1 硅片加工过程步骤1. 切片2. 激光标识3. 倒角4. 磨片5. 腐蚀6. 背损伤7. 边缘镜面抛光8. 预热清洗9. 抵御稳定退火10. 背封11. 粘片12. 抛光13. 检验前清洗14. 外观检验15. 金属清洗16. 擦片17. 激光检验18. 包装/货运切片(class 500k)硅片加工介绍中,从单晶硅棒开始第一个步骤就是切片。这一步骤关键是怎样在将单晶硅棒加工成硅片时尽可能地降低损耗,也就是要求将单晶棒尽可能多地加工成有用硅片。为了尽可能得到最好硅片,硅片要求有最小量翘曲和最少许刀缝损耗。切片过程定义了平整度能够基础上适合器件制备。切片过程
3、中有两种关键方法内圆切割和线切割。这两种形式切割方法被应用原因是它们能将材料损失降低到最小,对硅片损伤也最小,而且许可硅片翘曲也是最小。切片是一个相对较脏过程,能够描述为一个研磨过程,这一过程会产生大量颗粒和大量很浅表面损伤。硅片切割完成后,所粘碳板和用来粘碳板粘结剂必需从硅片上清除。在这清除和清洗过程中,很关键一点就是保持硅片次序,因为这时它们还没有被标识区分。激光标识(Class 500k)在晶棒被切割成一片片硅片以后,硅片会被用激光刻上标识。一台高功率激光打印机用来在硅片表面刻上标识。硅片按从晶棒切割下相同次序进行编码,所以能知道硅片正确位置。这一编码应是统一,用来识别硅片并知道它起源。
4、编码能表明该硅片从哪一单晶棒什么位置切割下来。保持这么追溯是很关键,因为单晶整体特征会伴随晶棒一头到另一头而改变。编号需刻足够深,从而到最终硅片抛光完成后仍能保持。在硅片上刻下编码后,即使硅片有遗漏,也能追溯到原来位置,而且假如趋向明了,那么就能够采取正确方法。激光标识能够在硅片正面也可在后面,尽管正面通常会被用到。倒角当切片完成后,硅片有比较尖利边缘,就需要进行倒角从而形成子弹式光滑边缘。倒角后硅片边缘有低中心应力,所以使之更牢靠。这个硅片边缘强化,能使之在以后硅片加工过程中,降低硅片碎裂程度。图1.1举例说明了切片、激光标识和倒角过程。图1.1磨片(Class 500k)接下来步骤是为了清
5、除切片过程及激光标识时产生不一样损伤,这是磨片过程中要完成。在磨片时,硅片被放置在载体上,并围绕放置在部分磨盘上。硅片两侧全部能和磨盘接触,从而使硅片两侧能同时研磨到。磨盘是铸铁制,边缘锯齿状。上磨盘上有一系列洞,可让研磨砂分布在硅片上,并随磨片机运动。磨片可将切片造成严重损伤清除,只留下部分均衡浅显伤痕;磨片第二个好处是经磨片以后,硅片很平整,因为磨盘是极其平整。磨片过程关键是一个机械过程,磨盘压迫硅片表面研磨砂。研磨砂是由将氧化铝溶液延缓煅烧后形成细小颗粒组成,它能将硅外层研磨去。被研磨去外层深度要比切片造成损伤深度更深。腐蚀(Class 100k)磨片以后,硅片表面还有一定量均衡损伤,要
6、将这些损伤去除,但尽可能低引发附加损伤。比较有特色就是用化学方法。有两种基础腐蚀方法:碱腐蚀和酸腐蚀。两种方法全部被应用于溶解硅片表面损伤部分。背损伤(Class 100k)在硅片后面进行机械损伤是为了形成金属吸杂中心。当硅片达成一定温度时?,如Fe, Ni, Cr, Zn等会降低载流子寿命金属原子就会在硅体内运动。当这些原子在硅片后面碰到损伤点,它们就会被诱陷并本能地从内部移动到损伤点。背损伤引入经典是经过冲击或磨损。举例来说,冲击方法用喷砂法,磨损则用刷子在硅片表面磨擦。其它部分损伤方法还有:淀积一层多晶硅和产生一化学生长层。边缘抛光硅片边缘抛光目标是为了去除在硅片边缘残留腐蚀坑。当硅片边
7、缘变得光滑,硅片边缘应力也会变得均匀。应力均匀分布,使硅片更坚固。抛光后边缘能将颗粒灰尘吸附降到最低。硅片边缘抛光方法类似于硅片表面抛光。硅片由一真空吸头吸住,以一定角度在一旋转桶内旋转且不妨碍桶垂直旋转。该桶有一抛光衬垫并有砂浆流过,用一化学/机械抛光法将硅片边缘腐蚀坑清除。另一个方法是只对硅片边缘进行酸腐蚀。图1.2举例说明了上述四个步骤:图1.2预热清洗(Class 1k)在硅片进入抵御稳定前,需要清洁,将有机物及金属沾污清除,假如有金属残留在硅片表面,当进入抵御稳定过程,温度升高时,会进入硅体内。这里清洗过程是将硅片浸没在能清除有机物和氧化物清洗液(H2SO4+H2O2)中,很多金属会
8、以氧化物形式溶解入化学清洗液中;然后,用氢氟酸(HF)将硅片表面氧化层溶解以清除污物。抵御稳定退火(Class 1k)硅片在CZ炉内高浓度氧气氛里生长。因为绝大部分氧是惰性,然而仍有少数氧会形成小基团。这些基团会饰演n-施主角色,就会使硅片电阻率测试不正确。要预防这一问题发生,硅片必需首先加热到650左右。这一高温度会使氧形成大基团而不会影响电阻率。然后对硅片进行急冷,以阻碍小氧基团形成。这一过程能够有效消除氧作为n-施主特征,并使真正电阻率稳定下来。背封(Class 10k)对于重掺硅片来说,会经过一个高温阶段,在硅片后面淀积一层薄膜,能阻止掺杂剂向外扩散。这一层就如同密封剂一样预防掺杂剂逃
9、逸。通常有三种薄膜被用来作为背封材料:二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、多晶硅。假如氧化物或氮化物用来背封,能够严格地认为是一密封剂,而假如采取多晶硅,除了关键作为密封剂外,还起到了外部吸杂作用。图1.3举例说明了预热清洗、抵御稳定和背封步骤。图1.3 预热清洗、阻抗稳定和背封示意图粘片(Class 10k)在硅片进入抛光之前,先要进行粘片。粘片必需确保硅片能抛光平整。有两种关键粘片方法,即蜡粘片或模板粘片。顾名思义,蜡粘片用一固体松香蜡和硅片粘合,并提供一个极其平参考表面?。这一表面为抛光提供了一个固体参考平面。粘蜡能预防当硅片在一侧面载体下抛光时硅片移动。蜡粘片只对单面抛光硅片有
10、用。另一方法就是模板粘片,有两种不一样变异。一个只适适用于单面抛光,用这种方法,硅片被固定在一圆模板上,再放置在软衬垫上。这一衬垫能提供足够摩擦力所以在抛光时,硅片边缘不会完全支撑到侧面载体,硅片就不是硬接触,而是“漂浮”在物体上。当正面进行抛光时,单面粘片保护了硅片后面。另一个方法适适用于双面抛光。用这种方法,放置硅片模板上下两侧全部是敞开,通常两面全部敞开模板称为载体。这种方法能够许可在一台机器上进行抛光时,两面能同时进行,操作类似于磨片机。硅片两个抛光衬垫放置在相反方向,这么硅片被推向一个方向顶部时和相反方向底部,产生应力会相互抵消。这就有利于预防硅片被推向坚硬载体而造成硅片边缘遭到损坏
11、。?除了很多加载在硅片边缘负荷,当硅片随载体运转时,边缘不大可能会被损坏。抛光(Class 1k)硅片抛光目标是得到一很光滑、平整、无任何损伤硅表面。抛光过程类似于磨片过程,只是过程基础不一样。磨片时,硅片进行是机械研磨;而在抛光时,是一个化学/机械过程。这个在操作原理上不一样是造成抛光能比磨片得到更光滑表面原因。抛光时,用特制抛光衬垫和特殊抛光砂对硅片进行化学/机械抛光。硅片抛光面是旋转,在一定压力下,并经覆盖在衬垫上研磨砂。抛光砂由硅胶和一特殊高pH值化学试剂组成。这种高pH化学试剂能氧化硅片表面,又以机械方法用含有硅胶抛光砂将氧化层从表面磨去。硅片通常要经多步抛光。第一步是粗抛,用较硬衬
12、垫,抛光砂更易和之反应,而且比后面抛光中用到砂中有更多粗糙硅胶颗粒。第一步是为了清除腐蚀斑和部分机械损伤。在接下来抛光中,用软衬、含较少化学试剂和细硅胶颗粒抛光砂。清除剩下损伤和薄雾最终抛光称为精抛。粘片和抛光过程图1.4所表示:图1.4 粘片和抛光示意图检验前清洗(class 10)硅片抛光后,表面有大量沾污物,绝大部分是来自于抛光过程颗粒。抛光过程是一个化学/机械过程,集中了大量颗粒。为了能对硅片进行检验,需进行清洗以除去大部分颗粒。经过这次清洗,硅片清洁度仍不能满足用户要求,但能对其进行检验了。通常清洗方法是在抛光后用RCA SC-1清洗液。有时用SC-1清洗时,同时还用磁超声清洗能更为
13、有效。另一方法是先用H2SO4/H2O2,再用HF清洗。相比之下,这种方法更能有效清除金属沾污。检验经过抛光、清洗以后,就能够进行检验了。在检验过程中,电阻率、翘曲度、总厚度超差和平整度等全部要测试。全部这些测量参数全部要用无接触方法测试,所以抛光面才不会受到损伤。在这点上,硅片必需最终满足用户尺寸性能要求,不然就会被淘汰。金属物去除清洗硅片检验完后,就要进行最终清洗以清除剩下在硅片表面全部颗粒。关键沾污物是检验前清洗后仍留在硅片表面金属离子。这些金属离子来自于各不一样用到金属和硅片接触加工过程,如切片、磨片。部分金属离子甚至来自于前面多个清洗过程中用到化学试剂。所以,最终清洗关键是为了清除残
14、留在硅片表面金属离子。这么做原因是金属离子能造成少数载流子寿命,从而会使器件性能降低。SC-1标准清洗液对清除金属离子不是很有效。所以,要用不一样清洗液,如HCl,必需用到。擦片在用HCl清洗完硅片后,可能还会在表面吸附部分颗粒。部分制造商选择PVA制刷子来清除这些残留颗粒。在擦洗过程中,纯水或氨水(NH4OH)应流经硅片表面以带走沾附颗粒。用PVA擦片是清除颗粒有效手段。激光检验硅片最终清洗完成后,就需要检验表面颗粒和表面缺点。激光检验仪能探测到表面颗粒和缺点。因为激光是短波中高强度波源。激光在硅片表面反射。假如表面没有任何问题,光打到硅片表面就会以相同角度反射。然而,假如光打到颗粒上或打到
15、粗糙平面上,光就不会以相同角度反射。反射光会向各个方向传输并能在不一样角度被探测到。包装/货运尽管如此,可能还没有考虑很周到,硅片包装是很关键。包装目标是为硅片提供一个无尘环境,并使硅片在运输时不受到任何损伤;包装还能够预防硅片受潮。假如一片好硅片被放置在一容器内,并让它受到污染,它污染程度会和在硅片加工过程中任何阶段一样严重,甚至认为这是更严重问题,因为在硅片生产过程中,伴随每一步骤完成,硅片价值也在不停上升。理想包装是既能提供清洁环境,又能控制保留和运输时小环境整齐。经典运输用容器是用聚丙烯、聚乙烯或部分其它塑料材料制成。这些塑料应不会释放任何气体而且是无尘,如此硅片表面才不会被污染。最终
16、六个步骤图1.5所表示。图1.5 检验前清洗、外观检验、金属离子去除清洗、擦片、激光检验和包装/货运示意图硅片制备阶段问题在硅片制造过程中,包含到很多参数。而且这些参数中有很多会因最终硅片目标不一样而发生改变。对硅片来说,有部分参数一直是很关键,如平整度、缺点、沾污等。在下面章节中将具体讨论。当硅片被不正确运行刀片所切割时,就会造成弯曲刀口。这些刀口全部不会相同,这就使硅片有不一样种类平面缺点。能以最好方法使硅片得到平整表面是很关键,所以应以尽可能平面去切割硅片。有不一样测量方法来测试硅片平整度。部分测量方法给出了圆形或说是整个硅片平整度而另部分方法只显示出局部硅片平整度。整个平整度对于设计样
17、品时是很关键,?从其次说,局部平整度对于?设计是很关键,?部分整体平整度测试术语是弯曲度(bow)、翘曲度(warp)、总厚度超差(TTV)、总指示读数(TIR)和焦平面背离(FPD)。局部平整度测试术语也和其一致。Bow硅片弯曲度是测量硅片弯曲程度,它是和硅片中心从一经过靠近硅片边缘三个基点建立平面背离程度。弯曲度测试是一个较老测试手段,不常常使用。因为弯曲度测试只能测试和中心背离,其它方法也就对应产生了。实际上,硅片背离会发生在硅片任一位置,而且能产生很多问题。在最近时间里,S型弯曲或翘曲测试被真正采取。这种变形有比弯曲更复杂形状。Warp硅片形状变形另一测试方法是翘曲度测试。翘曲度是测量
18、硅片确定多个参考面中心线位置最高点和最低点之最大差值。硅片翘曲度起决于使用一对无接触扫描探针。硅片被放置在三个形成参考平面支点上,这对探针中一支能够在硅片一侧任意位置,而另一支则在另一侧对应位置。探针按设定程序,沿硅片表面移动,测量到硅片表面指定点距离。一旦全部距离全部已测得,翘曲程度也就知道了。测定翘曲度,第一步就是找到顶部探针和顶部硅片表面距离(a)和对应底部探针和底部硅片表面距离(b)。换句话说,就得到了b-a全部测量点。有了这些数据,将b-a最大值减去b-a最小值,再除以2就是Warp值(图1.6所表示)。图1.6 翘曲度(Warp)和总厚度偏差(TTV)测量示意图硅片翘曲度和半导体制
19、造相关,因为一片翘曲硅片在光刻过程中可能会引发麻烦;还可能在部分加工过程中粘片时也有问题。小量翘曲在部分加工过程中能够经过真空吸盘或夹具得到赔偿。TTV一个检测硅片厚度一致性方法,叫总厚度超差(TTV),就是指硅片厚度最大值和最小值之差。测量TTV可在测量Warp时同时进行。Warp中类似探针和数据处理方法能够为TTV所采取。实际上,不一样仅仅是计算公式。在计算TTV时,第一步是将顶部探针和顶部硅片表面距离(a)和对应底部探针和底部硅片表面距离(b)相加,这里,我们要是相加(a+b),TTV就是将a+b最大值减去a+b最小值。TIR总指示读数是一个只和硅片正面相关参数。测量方法是将和真空吸盘平
20、行吸住一面作为参考平面,TIR就是正面最高处和最凹处差值。(见图1.7)图1.7 总指示读数(TIR)和焦平面偏离(FPD)测量示意图FPD焦平面偏离(FPD)是指硅片上距焦平面最高处和最深处到焦平面距离中远一个。有时这个平面是参考硅片后面或是一个假想平面。这一测量值表明了?迄今为止,所讨论全部平整度测试方法全部是指整体测试。换句话说,全部测试方法全部是表现硅片整体表面情况。这些方法中大部分也能够测试局部情况。差异仅在于测试时所覆盖区域是整体还是局部。通常,区域选择尺寸同经典电路芯片相同。举个例子,局部测试硅片平整度称为局部厚度超差(LTV),LTV几乎和TTV相同,区分仅在于前者只对应硅片小
21、区域范围。污染硅片表面污染是一个关键关注问题。硅片生产过程从相对较脏切片开始到最终进入一净空房结束,硅片要暴露在大量不一样化学品和溶液中,而且硅片还要被放入很多不一样机器进行机械加工,全部这些接触全部会造成颗粒沾污。另两个关键污染是金属和有机物。金属因硅片经过很多机器加工,金属和硅片表面直接接触而被留在硅片表面;有机物则可能来自于任何物体上油脂或油。在硅片最终被发往用户前,全部污染全部必需被清除。安全同其它制造环境一样,在设备每一位置,全部有其特殊安全要求。在半导体制造硅片生产阶段,很多安全问题很类似于在一装备完好设备商店,有高速度刀片和全部手工滚磨设备。硅片生产中很多过程是机械导向,所以,这
22、些有操作危险过程必需有一定安全程序。除了这些显而易见机械危险外,还有化学方面危险。硅片生产要用到很多危险化学药品,如在敞开式硅片清洗中用到HF和KOH。这些化学品使用象水一样频繁,而且轻易被灌输一个错误安全观念。所以,当在进行和这些化学品相关工作时,必需确定出全部正确安全方针。其它还有包含到多种不一样辐射安全问题。在切片区域,有X-ray源;激光扫描区域,有激光辐射可能会引发潜在火灾,甚至使人失明。在这些区域,全部应穿着合适防护服,并应谨慎操作以防发生安全问题。术语表弯曲度(bow)硅片弯曲度是指硅片中心和一经过靠近硅片边缘三个基点建立平面背离程度。弯曲度是对整个硅片而言。10级(class1
23、0)通常指环境清洁度时,10级是指每立方英尺空气中0.5m大小颗粒不超出10个,而且更大颗粒数更少。这是一个很洁净环境。硅胶硅胶是一个悬浮硅土颗粒,细小到无法分辨出各个颗粒,也无法从悬浮液中分离出来。微切伤微切伤是由刀片颤动而引发,它是刀片在行进过程中细微背离,而在硅片上沿着切口留下细小脊状损伤。外吸杂外吸杂是一个适用在硅片后面吸杂方法。焦平面背离(FPD)焦平面背离测试能说明离硅片正面上任何点焦平面最远距离。FPD能衡量整个硅片正表面。吸杂吸杂是一个诱使金属杂质远离硅片正面方法。通常经过在晶体结构中造成高应力区域来实现。有两种不一样吸杂方法:外吸杂和内吸杂。雾化雾化是硅片出现雾气一个条件。可
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