大尺寸硅片边缘抛光技术

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摘要
重掺衬底硅片在经历高温外延加工过程中，硅片边缘的损伤会在硅片的外延层上形成位错缺陷。对边缘初始状态一致的直径为200mm硅单晶片进行酸腐蚀、机械抛光、化学机械抛光及机械抛光加化学机械抛光等不同条件下的边缘抛光实验，使用显微镜观察抛光片的边缘形貌，使用三维光学表面分析仪对抛光片的表面粗糙度进行测量，之后对抛光后的样品进行外延加工，对比经过不同加工方式的抛光后硅片边缘损伤的残留程度。结果表明，酸腐蚀能够去除硅片边缘绝大部分的损伤，机械抛光会重新带入机械损伤，机械抛光后再进行化学机械抛光能彻底消除硅片边缘的损伤层，但相对成本较高。化学机械抛光也能够彻底去除硅片边缘的损伤层，是大尺寸衬底硅片边缘抛光的最优加工工艺。

0引言

　　随着半导体工艺技术的进步，硅单晶抛光片的尺寸不断扩大，国外直径300mm硅单晶抛光片的加工工艺已经非常成熟，国内主要半导体厂家也在加紧向200mm和300mm的生产线转变［1－2］。这使对硅抛光片的衬底质量的要求越来越高，其中硅片的外延、沉淀等后道热处理加工对硅抛光片边缘的要求也越来越严格。目前，直径150mm及以下尺寸的硅片衬底边缘为腐蚀面就能满足现有后道IC制作要求，但直径200mm和300mm的硅片衬底边缘在腐蚀面的基础上还需做进一步的抛光处理才能满足后道的使用需求［3］。虽然硅片边缘抛光没有硅片表面抛光的各种几何参数和颗粒的要求，但硅片边缘处理不当，极易将边缘上的有害微粒带到硅片的正表面，硅片边缘上的晶格缺陷或损伤也易导致硅片在后道加工中破裂或者带来正面上的缺陷。因此大直径硅片边缘的抛光也是硅片加工技术中至关重要的一步［4］。

　　常见的硅边缘抛光主要有机械抛光和化学机械抛光，由于硅片正面抛光技术发展时间较长，对其研究也比较深，而硅片边缘抛光是硅片正面抛光的一个延伸，故系统地对硅片边缘抛光技术研究相对较少，本文通过对比硅片边缘经过酸腐蚀、机械带式抛光、化学机械抛光及机械带式抛光加化学机械抛光不同处理过程的重掺衬底硅片的边缘形貌和粗糙度，同时用外延的方法对比不同加工方式后硅片边缘损伤的残留，来确定硅片边缘的最优加工工艺。

1硅片边缘抛光

　1.1硅片边缘机械抛光原理及特性
　　抛光过程中，硅片在吸盘的带动下高速旋转，研磨带紧靠在硅片边缘往复运动，机械抛光过程中的抛光液一般为去离子水。机械抛光的优点是产能大，设备故障率低，加工损失率低;其缺点是抛光后，硅片边缘的损伤层较深。目前比较有代表的设备有MIPOX系列。硅片边缘机械抛光原理示意图如图1所示。



　　研磨带上的磨粒在与硅片边缘表面的相对运动中，磨粒和硅片边缘表面间产生磨削作用。其作用机理是:开始磨粒接触硅片，接触面很小，作用力也比较小，磨粒只摩擦硅片的边缘表面，使硅片的边缘表面产生弹性和塑性变形;随着研磨带进给量的加大，作用力的增加，硅片边缘表面产生塑性流动，磨粒前面的硅向两侧挤出，同时切除少量硅;最后作用力加到适当的时候，硅片边缘的材料在滑动磨粒的作用下产生断裂，从而进行切除。其加工过程主要是以机械加工方式完成。
　　1.2硅片边缘化学机械抛光原理及特性
　　抛光过程中，硅片在吸盘的带动下紧靠在贴有抛光布的抛光鼓上高速旋转运动，抛光鼓在高速旋转的同时还上下往复运动，化学机械抛光过程中的抛光液一般为二氧化硅的碱性悬浊液。化学机械抛光的优点是能够有效去除硅片边缘的损伤层，并能获得光洁的边缘表面。其缺点是加工成本相对较高。
　　硅片边缘化学机械抛光技术是化学作用和机械作用共同作用的组合技术，其过程相当复杂，影响因素也很多。化学机械抛光原理示意图如图2所示。硅片边缘化学机械抛光的化学反应式为［5－7］



　　在硅片化学机械抛光时，首先是硅片表面的硅原子和抛光液中的氧化剂、催化剂等进行氧化反应，在硅片边缘的表面产生一层氧化薄膜，生成可溶性硅酸盐。然后再通过抛光液中细小柔软、比表面积大、带有负电荷的SiO2胶粒的吸附作用及其与抛光垫和硅片表面间的机械摩擦作用，及时除去反应产物，使硅片表面的硅原子重新裸露出来，然后再次进行氧化反应。这样在化学作用过程和机械作用过程的交替进行中完成硅片边缘表面的抛光。

2实验

　　通过对经过不同加工过程的重掺硅片边缘进行粗糙度和损伤层的测试，来衡量其加工过程的优良，从而确定合适的重掺硅片边缘的加工工艺。实验硅片来自同一段直径200mm的单晶，晶向＜100＞，掺砷，电阻率0.002～0.005Ω·cm，经过相同的切片、倒角、磨片和酸腐蚀加工。其中在倒角工序先用800目的倒角槽加工一次，再用1500目的倒角槽加工一次;酸腐蚀的去除量为(30±2)μm。然后挑选40片边缘初始状态一致的硅片进行实验，每组实验任挑其中10片。四组实验片的边缘分别经过酸腐蚀处理、机械带式抛光、化学机械抛光、机械带式加化学机械抛光的不同处理过程，然后对以上实验后的硅片边缘进行显微镜观察，考察边缘的形貌;用粗糙仪测试边缘的粗糙度;用外延的办法间接测试边缘的机械损伤情况，从而获得低成本、边缘没有损失残留的硅片边缘加工工艺。
　　机械带式抛光机选用MIPOXNME－68N机型，抛光带选用4000目砂带。化学机械抛光选用SPEEDFAMEP－150/200机型，抛光布选用SUB400的抛光布，抛光液为稀释十倍的MIＲＲOＲ－V抛光液。实验过程中主要加工参数如表1所示。



3结果和讨论

　　3.1不同抛光方式对硅片边缘表面形貌的影响

　　在150倍的显微镜下观察不同加工过程后硅片边缘的侧面和端面形貌，酸腐蚀处理后的硅片边缘相对比较粗糙，如图3(a)所示;经过机械带抛后的硅片边缘粗糙度相对腐蚀片变好，表面变得光亮，但存在很浅砂带滑动的痕迹，如图3(b)所示;经过化学机械抛光的硅片边缘和经过机械带式抛光后再经过化学机械抛光的边缘表面光洁，如图3(c)和(d)所示。对比四组实验片的显微镜形貌观察结果发现，酸腐蚀片的边缘相对粗糙，经过化学机械抛光后的边缘光洁。



　　3.2不同抛光方式对硅片边缘表面粗糙度的影响
　　每组任挑4片用三维光学表面分析仪ZYGO5032测试硅片边缘的粗糙度(Ｒa)，每片的倒角侧面和倒角端面各测试一点，测试结果表明，酸腐蚀片的边缘粗糙约为180nm，粗糙度相对较大;机械带式抛光后的硅片边缘粗糙度约为21nm，相对酸腐蚀片有显著改善;化学机械抛光后的硅片边缘粗糙度约为0.6nm，机械带式抛光加化学机械抛光后的硅片边缘粗糙度约为0.5nm。经过化学机械抛光后的硅片边缘呈现镜面，粗糙度低。抽测四种不同加工过程后硅片边缘粗糙度的测试结果如表2所示。



　　3.3硅片边缘损伤残留的外延验证实验及结果
　　破裂的硅片边缘在硅片制备的热处理中会引起边缘位错生长。硅片边缘的形状和后来的损伤去除步骤决定边缘的剩余损伤，在外延前如果没有去除，则在外延生长过程中作为位错的成核区，在临界厚度内，随着硅片边缘粗糙度的降低，位错密度和长度也随之减少;当边缘更加光滑，总的位错长度减少更多。边缘处理如果降低了粗糙度，相比于未处理的边缘，位错大大减少［8］。
　　本文采用外延的方式验证边缘损伤的深浅。首先将边缘加工完的实验硅片进行正表面的抛光清洗处理，正表面去除量为(15±2)μm，使硅片正表面的损伤去除，然后清洗，进行表面颗粒测试，正表面大于0.2μm的颗粒数量控制在10颗以内，然后再将这些实验片进行外延加工。实验选用同一台LPE3061外延炉，完全相同的生长工艺，外延工艺为生长温度为1050～1100℃，速率为2.5μm/min，目标厚度为50～55μm。
　　外延后，第一组实验片，边缘未经加工的酸腐蚀硅片表面的外延层上，有1片的硅片靠近边缘处有少量滑移线，如图4(a)所示，其他9片没有出现滑移线;第二组实验片，边缘经过机械带式抛光的硅片表面的外延层上，10片硅片靠近边缘处出现大量滑移线，如图4(b)所示;第三组实验片，边缘经过化学机械抛光的硅片表面的外延层上边缘没有滑移线，如图4(c)所示;第四组实验片，边缘经过机械带式抛光后再经过化学机械抛光的硅片表面的外延层上边缘没有滑移线，如图4(d)所示。通过外延验证表明，酸腐蚀能够去除前道工序遗留的绝大部分边缘损伤，但极少部分硅片可能由于加工过程中的偏差，导致边缘少量损伤去除不彻底;机械带式抛光由于是纯机械作用，使加工后的硅片边缘重新引入了大量机械损伤;化学机械抛光的过程是机械和化学作用同时进行，加工后的硅片边缘能够有效去除损伤的残留。



4结论

　　酸腐蚀硅片的边缘虽然比较粗糙，但边缘损伤去除比较彻底，极少部分硅片可能因为加工过程的偏差导致硅片边缘少量损伤的存在，酸腐蚀的重掺硅衬底片可以满足大部分中等或偏薄外延层的外延加工需求。对于品质需求较高且需要生长50μm以上的厚外延的衬底硅片，边缘需要增加化学机械抛光，充分去除边缘的损伤层，防止外延后产生滑移线。单纯对衬底硅片边缘进行机械带式抛光加工，虽然粗糙度降低，但重新带入了机械损伤，会导致硅片后续的外延加工后在靠近硅片边缘的正表面上产生滑移线。硅片边缘进行机械带式抛光后再进行化学机械抛光，虽然能提高硅片边缘的品质，得到光洁的边缘表面，并能消除硅片边缘的损伤层，但相对于只是增加边缘化学机械抛光的成本上升了，其外延后品质表现相当。

丁酉

楼主呀，，，您太有才了。。。