硅片加工倒角ppt课件.ppt

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1、硅片的倒角、研磨和热处理,加工工艺：1. 边缘倒角2. 表面研磨3. 热处理,工艺介绍,倒角：通过金刚石砂轮对硅片边缘进行打磨，使其边缘钝圆光滑，而不易破碎。 研磨：采用磨料研磨的方式，对硅片表面进行磨削，将表面损伤层减薄，获得较平整表面，为抛光创造条件。 热处理：对硅片进行高温退火（650），降低或消除硅晶体中氧的热施主效应。,1. 倒角,硅片倒角简介工艺流程主要参数,倒角,定义：采用高速运转的金刚石磨轮，对进行转动的硅片边缘进行摩擦，从而获得钝圆形边缘的过程。属于固定磨粒式磨削。作用：消除边缘锋利区，大大减小边缘崩裂的出现，利于释放应力。崩裂原因：边缘凸凹不平、存在边缘应力、受热边缘膨胀系

2、数不同等等。,大气,抽气减压,低压区,倒角加工示意图,60008000r/min,金刚石,吸盘,对于没有参考面的倒角，硅片做标准圆周运动。,有参考面的倒角,硅片边缘不是规则圆形，因此硅片不是做规则的圆周运动，而是采用凸轮，进行旋转。最终目的：硅片边缘做总被均匀打磨。,倒角粗糙度的控制,为尽量减小粗糙度，且保证加工效率：分别由大到小采用不同磨粒的倒角磨轮，对硅片进行多次倒角，最终获得光滑的表面。例：先采用800#粗倒角，再采用3000#的磨轮进行精细倒角，最终获得光滑的表面。平均粗糙度Ra0.04um 3000#目，表示每平方英寸含3000个颗粒。,两种典型的倒角,硅片经过倒角以后，其边缘的轮廓

3、并不相同，主要有R和T型两种。,R型（主流）,T型,倒角的主要参数,倒角的角度：11(H型)，22(G型)。倒角的宽幅。中心的定位。磨轮与旋转台距离的调节。,宽幅,倒角的度数,倒角的流程,准备工作,参数输入,自动倒角,检查水电选择凸轮选择磨轮选择吸盘,硅片同心度硅片高低主轴转速,有参考面的硅片倒角，采用凸轮,倒角结束,影响倒角的因素,凸轮的选择。硅片中心定位准确性。硅片固定的平整性。转速高低、稳定性。高速转动时的竖直性。L的精确控制。磨轮的磨粒尺寸。,倒角的故障,残留未倒角的边缘中心定位不准。宽幅不均匀硅片厚度不均，边缘翘曲，磨槽不均。倒角崩边硅片边缘太薄，金刚石磨粒不均匀，冷却水不足等。,L

4、,交叠区,L1,L2,解决中心定位问题,(1) 尽量定位准确(2) 控制L，和硅片半径匹配，LR-d,2. 硅片的研磨,1）简介2）研磨基本知识3）磨片的主要技术参数4）高质量磨片的技术条件5）研磨机组成与原理6）磨片的工艺过程7）主要影响因素8）磨片中产生的缺陷,1）硅片研磨,磨片：多线切割以后的硅片，表面有一定的损伤层，（存在晶格畸变、划痕以及较大起伏度），为了获得光滑而平整的晶体表面，需要将损伤层去除，通常分两步：第一，机械研磨，第二，表面抛光。而采用研磨方式，来去除损伤层，就是磨片。磨片方式：研磨浆中的磨粒在一定压力作用下，研磨工件的表面。磨片方式：游离式磨削。,压力,磨片示意图,2）

5、研磨基本知识,(1) 研磨的机理(2) 研磨浆组成与原理,(1) 研磨中的机理： a. 挤压切削过程。磨粒在一定压力下，对加工表面进行挤压、切削。 b. 化学反应。有些磨料可以先把工件表面氧化，再把氧化层进行磨削。这样可以减慢切削速度，提高最终加工精度。 c. 塑性变形。获得非晶的塑性层，最终去除。,(2) 研磨浆主要包括： a. 磨料：粒度小，则磨削的表面粗糙度小，加工精度高. 但是加工速度慢。粒度大，则加工速度快，但是加工粗糙度大。 基于效率和精度要求：先用粗磨料加工，再用细磨料加工。 磨片中，磨粒通常采用金刚砂，即SiC颗粒。,不同大小磨粒的磨削比较,b. 磨削液的作用： 冷却作用：把切

6、割区的热量带走。 排渣作用：将研磨屑和破碎的磨粒冲走。 润滑作用：减小磨粒和表面的机械摩擦。 防锈作用：磨粒除了磨削工件，对金属底盘也进行切削，要防止金 属底盘生锈。 磨片中，磨削液通常采用水。,c. 助磨剂等 助磨剂：加速材料磨削速度，并保证平整度，保证磨粒悬浮性，通常一些氧化剂。 助磨原理：助磨剂和工件表层反应（挤压造成部分原子混合，如O），形成较疏松的表面氧化层，容易去除。,3）磨片中的技术参数,a. 硅片厚度和总厚度变化TTV。b. 表层剪除层的厚度。c. 表面缺陷的产生。,a. 硅片厚度和总厚度变化TTV,硅片厚度，特指硅片中心点的厚度。总厚度变化：TTV=Tmax-Tmin未经磨片

7、时，硅片TTV很大，（几十um）。经过磨片以后，TTV5um。经过磨片，硅片厚度的均匀性获得大幅提高。,b. 表层剪除的厚度,为保证研磨效果，表层剪除量应当大于损伤层的厚度。内圆切割，剪除厚度：60120um。多线切割，剪除厚度：4060um。,c. 表面缺陷,磨片过程中，可能产生部分表面缺陷，如崩边，缺口等。磨片过程中，应尽量避免缺陷产生。,4) 高质量磨片的技术条件,模具表面硬度高，平整度高。工件做复杂的运动，保证研磨均匀性。研磨浆具有一定的浓度黏度和流量。适当的压力和转速。,5) 研磨机的结构,电机,控制电脑,研磨液输管,机座,硅片研磨机的组成,双面研磨机,磨盘、研磨传动机构,机座,研磨

8、液系统,控制系统,主轴转动,上磨盘升降,行星运动,磨速控制,研磨机磨盘,表面硬度高耐磨削,沟槽,行星齿轮片,硅片孔,外侧齿轮,其他形状的齿轮片,下磨盘,上磨盘,主轴,研磨系统的结构,研磨液系统,包括：研磨液桶、水泵、研磨液传输管道。研磨液喷在研磨区，即上磨盘和行星轮之间、下磨盘和行星轮之间，因同时对两个表面研磨。,控制系统,主轴和行星运动的实现：电机驱动做定轴转动，转速和方向可调节。上磨盘升降、转动：气压控制升降，平稳性好；电机驱动转动，转速和下磨盘反向。下磨盘定轴转动：电机驱动研磨速率的控制：研磨压力、磨片的转速、研磨浆的流速、研磨时间。,6）磨片的工艺过程,硅片分选,配研磨液,修盘,设置参

9、数,磨片,清洗,(1)厚度分选：将多线切割以后，厚度一致的硅片选出来，进行同盘研磨，提高研磨以后硅片之间厚度的一致性。精确到微米。(2)配置研磨浆：磨料+水+助磨剂+金属洗涤剂 磨料：金刚砂，即SiC颗粒 助磨剂：弱碱性，提高研磨的速率。 典型配比： SiC:水:助磨剂=(101):(201):(40.2),研磨浆 = SiC: 水: 助磨剂 各组分的作用：水：润滑，冷却，冲刷碎屑SiC：研磨助磨剂：表面活性剂(防止硅粉、SiC颗粒团聚)，弱碱性物质，和Si表面发生反应。,助磨剂简介：研磨过程中，小尺寸的研磨颗粒带有电荷，随着颗粒不断减小，自身重力也减小，一方面易于悬浮，另一方面，当大量硅粉存

10、在时，也易于发生团聚，而影响研磨效果。加入的助磨剂常常是表面活性剂，其分子具有双亲基团，即亲水和亲颗粒的两端，这样助磨剂分子可以分布在研磨颗粒周围，再外层是水，这样可以防止颗粒团聚。,(3)修磨盘：保证磨盘的标准平整度。 磨盘不平整原因：研磨浆的研磨作用、金属部件之间的磨削。 修磨盘方法：采用研磨液将表面磨削掉一层。(4)参数设置：研磨压力、转速、目标厚度等 厚度的实时监控：晶体振荡器。(5)研磨：自动进行。(6)冲洗送交。,7) 影响研磨的因素,(1) 影响研磨速率的因素。(2) 磨盘、载体的表面平整性对研磨效果的影响。,(1) 影响研磨速率的因素,a. 研磨液的浓度。b. 硅片承受压强的大

11、小。c. 研磨盘的转速。d. 磨盘和载体的外形。,a 研磨液的浓度,研磨液组成：主要是SiC磨粒和水。研磨液的参数： 磨粒大小：为提高效率，倾向大磨粒，但是磨粒太大会增加研磨粗糙度，一般选用W14，即尺寸1014微米。 配制浓度：随浓度增加，研磨速率先增加，再减小。,浓度%,研磨速率,先增加的原因：磨粒浓度较低时，互相接触概率很小，随着浓度增加，所有磨粒单位时间研磨的总面积增加。研磨速率饱和的原因：单位时间研磨的面积达到稳定（和转速等因素有关）。随后减小的原因：浓度太大，磨粒之间接触挤压的概率增大。因此会增加各种界面缺陷和磨粒团聚的产生，并降低有效研磨速率。,b 硅片承受的压强,硅片所承受的压

12、强p，由上磨盘自重G，和外加控制压力F决定：G: 上磨盘重量，F: 外加的研磨压力， D: 硅片直径载体未承受重量。,压强与研磨速率关系,转速等因素不变时，硅片所受压强越大，研磨速率越高。,压强P,速率,磨片过程中压强的控制,硅片可承受的最大压力有限，需要分段控制压强。,c. 磨盘的转速,一般说，转速高，研磨速率快。研磨是效率（速率）和精度（粗糙度）并重，为减小界面缺陷，转速不宜过大。压力等条件一定时，转速越高，表面摩擦力越大，会形成界面缺陷。所以，转速应当和压力F，磨粒等条件相匹配，一般设备会提供相应的参数。,d 磨盘、载体外形对磨片的影响,1）磨盘的几何外形对研磨的影响。2）载体几何外形对

13、研磨的影响。考虑的焦点，工具的表面平整性。,磨盘的外形,新设备磨盘外形是规则平面，有清晰的盘槽。研磨过程中，磨盘和载体也会被磨损，而且这种磨损，并非平面性磨削，这导致磨盘外形不再是规则的平面，盘槽变浅。磨盘外形缺陷：划痕、凸凹面，盘槽变浅。磨盘外形不规则，会导致磨过程中产生多种缺陷，甚至碎片。解决方案：修盘，开槽。,修盘方法：用标准平面磨盘，接触待修理的磨盘，二者界面之间喷洒硅片的研磨液，加较大压力，并反向高速旋转，进行游离式磨削，重新打磨出规则平面。盘槽的维持：经过一次修盘，盘面被打磨下一层，盘槽会变浅，因此当盘槽磨平时，要重新开槽。,剪除层,磨盘,划痕,2) 载体外形对研磨的影响,载体厚度

14、：硅片的2/3。载体开孔直径：比硅片大1mm。耗材：载体研磨至硅片厚度的1/2时，报废。载体比硅片薄，因此，磨盘自重和外加压力作用在硅片上。,7） 磨片过程中的表面缺陷,磨片时，产生的表面缺陷主要有：崩边：硅片表面或边缘非穿透性缺损。缺口：贯穿整个硅片厚度的边缘缺损。裂纹：延伸到硅片表面的解理或裂痕，可以贯穿或者不贯穿硅片的厚度。划片：由磨粒的摩擦，对硅片造成的表面划痕。磨粒尖锐的表面形成，一般磨粒尺寸较小，外形接近钝圆形，可以减少划片。,缺口,崩边,裂纹,3 硅片的热处理,1) 硅片热处理的意义。2) 硅片热处理的工艺过程。3) 半导体中杂质O的存在形式和行为。,1) 硅片的热处理的意义,意

15、义： (1) 降低硅片内部氧原子的施主效应。 (2) 消除硅片的内应力。处理对象：主要针对直拉法生长的本征硅，（非重掺杂），切割出的硅片。杂质对象：硅片中的氧原子O工艺参数：温度、时间。,2) 硅片热处理的过程,(1) 器材的处理。(2) 热处理步骤。,器材处理,器材：石英管、石英舟、氧化炉/扩散炉、钢瓶（Ar、N2）目的：清理石英管和石英舟的表面杂质。方法：氢氟酸稀溶液浸泡，2小时。水冲洗。650下，保护气氛中煅烧2小时。 稀酸配比 HF : H2O = 1 : 10,热处理工艺过程,准备工作,装片,入炉,恒温,出炉,准备工作：检查核实硅片，开启室内排风和冷却水，调节保护气体流量，炉温升高到

16、650待用。装片：带上手套，将硅片放入石英舟。入炉：将石英舟放在路口，用石英棒将其沿石英管推进，并到恒温区。恒温：温度设置在65020 ，恒温处理3040min，避免形成过多新施主。出炉：用石英棒将石英舟拉至炉口，并取出。,炉体,石英管,进气N2或Ar,排气,加热棒,恒温区,3) 直拉法硅中的氧,来源：直拉法中，坩埚中的O，在Si熔融阶段进入Si熔体，在提拉阶段留在硅晶体内部。分布：硅锭头部含量高，对硅片，中心含量高，边缘降低。原子位置：晶格空隙（同一氧浓度处，均匀掺杂）。O浓度：典型原子浓度(11.7)*1018/cm3， 而Si原子浓度5.1*1022/cm3。,氧原子掺杂与Si导电性的关

17、系,严重偏离本征半导体,半导体中氧杂质的行为,施主效应,新施主,热施主,氧沉淀,氧原子行为,电阻率稳定性,晶体结构,氧原子的施主效应,施主杂质：提供电子的杂质称为施主杂质。受主杂质：半导体内提供导电空穴的杂质，是受主杂质。O原子是一种施主杂质，具体的施主行为，与O原子浓度和氧原子局域化状态，以及温度有关。,施主效应的介绍,存在不同施主的原因：半导体中的施主程度，即电阻率变化量的多少，不仅和Si材料中O原子的浓度有关，而且和其在材料中的分布形式有关。不同施主效应的差别：1）施主的稳定性，即对温度的稳定性，2）对电阻率影响的大小。材料稳定性：取决于施主效应温度的稳定性。,施主的微观解释,O原子究竟

18、提供多大的施主效应，与其具体存在状态有关Si、O原子聚集程度和结合形式。,(1) O原子的两种施主效应,1. 热施主：氧原子分散掺杂在Si晶格间隙，形成的施主效应。形成温度较低，大约300550 ，于450附近最显著，形成于提拉时硅锭的冷却过程（ T700，O空隙间扩散）T450，O扩散并彼此聚集，形成热施主，此温度的扩散系数非常大。热施主最终浓度：正比初始O浓度的三次方。杂质作用：C可以抑制热施主，H促进热施主。,热施主机理,自由间隙模型：形成小范围的Si原子外层包裹O原子，的聚集体。,2. 新施主：数百个O原子聚集形成的硅氧集团，产生的一种施主效应。形成于500800。形成条件：温度高，一

19、般大于650形成明显。O浓度较大， 5*1017/cm3 。,热施主和新施主的特点,热施主：温度稳定性差，电阻率随温度变化明显。新施主：温度变化不明显。,O晶格空隙（不稳定）,热处理（小区域成键）,两种施主效应的处理方法,热施主：施主效应显著，而且和材料温度有关，导致Si材料电阻率不稳定，器件热稳定性差，应当予以消除。消除手段，快速退火，使氧原子小范围局域化。典型工艺：650退火半小时。新施主：形成温度较高，小范围的温度涨落，对其影响不大，也不好消除，一般不处理。快速退火有一定效果。比如700停留2S，然后速冷。,(2) 硅片中的氧沉积,氧沉积：硅中氧含量很高时，硅锭降温阶段，氧原子聚集，并和

20、硅原子结合，形成SiO2颗粒，称为氧沉积。产生条件：氧原子浓度高，温度较高。形成过程：Si中氧的溶解度，随温度降低而降低，因此，提拉硅中的O，在随着硅锭温度降低，形成过饱和状态，并且结晶而形成氧沉积。稳定性：1200温度下，氧沉积可以融化，O再次回到晶格间隙，均匀分布。,氧沉淀的特点与利用,氧沉积是一种晶体结构缺陷，对电阻率的影响随温度变化不大，少量的氧沉积可以接受。利用：1）作为金属吸杂中心，吸收金属原子，2）增强硅片的机械强度，防止原子滑移，因此硅片不易翘曲。缺点：含量太高，使得硅片翘曲。总之，少量的氧沉积是有益的。,O形式,直拉硅：均匀分布晶格内部，溶解状态，未多方向成键不稳定（热运动）热处理小范围成键，稳定化（消除热施主）新施主几百Si、O原子稳定成键氧沉淀大范围较多Si、O原子结晶,