半導體矽晶片超精密加工研究

　　矽是具有金剛石晶體結構，原（yuán）子間以共（gòng）價鍵結合的硬脆材（cái）料。其硬度達（dá）1000HV，但斷裂強度很（hěn）低，超（chāo）精密加工這樣的硬脆材料（liào）有一定的難度。同時，矽又是一種（zhǒng）很好的半導體材料，構成集成電路半導體晶片（芯片）的90%以上都是矽晶片。以信息網（wǎng）絡為代表的信息革命浪潮，正在各方麵推動著社會進步，改變著人們的生活方式，提高人們的生活水平。所有這些進步和發展，主要由半導體矽片上（shàng）所製（zhì）成的微細（xì）集成電路芯片及由各種（zhǒng）芯片器件製成的各種電器所引起和推動的（de）。

　　另外，在現代國防和軍事方麵，電子信息化武裝（zhuāng）的武器裝備在現代戰爭中發揮著越來越重要的作用，甚至（zhì）起著決定戰爭勝負的關鍵性作用。所（suǒ）有這一切的發展和需要，都是建立（lì）在半導體矽（guī）材料的基礎之上。半導體矽材料是（shì）半導體工業最重要的主（zhǔ）體功能材料，是第一大功能電子材料，至今全（quán）球矽材料的使（shǐ）用仍占半導體材料總量的95%以上。矽材料、矽器件和矽集成電路的發展與應用水平早已成為一個國家的國力、國防、國民經濟現代化及人民（mín）生活水平的重要（yào）標誌。集成電路自 1959 年發明以來，集成電路芯片（piàn） 的集成度在不斷提（tí）高，而加工特征尺寸和加工成 本逐步縮小[2]，如表 1 所示。

　　為了能在矽晶片（piàn）上印刷集成電路、與其他元件（jiàn）結合（hé）緊密，矽晶片的表麵必須平（píng）直；特別是隨著集成電（diàn）路集成度的提高，對矽晶片表（biǎo）麵的線寬、矽晶片的平直度提出了越來越（yuè）高的要求（qiú）；而且企業（yè）為了占（zhàn）領（lǐng）市場，實現優質、低耗、大尺寸、高精度的矽晶片超精密加（jiā）工具有極其重要的意義。

　　超精密加工的（de）加工機理主要包括“進化加工”及“超越性加工”。目前除對機理研究外（wài），還對（duì）微觀（guān） 表麵完（wán）整性（xìng），在超精密（mì）範疇內對各種材料的加工過程、現象、性能以及工藝參數進（jìn）行提示性研究。由於直接對切削點（diǎn）觀察異常困難，現在有（yǒu）提議將切（qiē）削裝置小（xiǎo）型化，放置於SEM的鏡頭下進行切削並觀察。日本大阪大（dà）學井川直哉教授等開（kāi）始采用 計算機仿真，逐步向揭（jiē）開微量切削的奧秘迫近。超（chāo）精密加工方法主要包括超精密切（qiē）削（車、銑）、超精密磨削、超精（jīng）密研磨（mó）（機械研磨（mó）、化學機械研磨、非接觸式浮動研磨、彈性發射加工等）以及（jí）超精密特種加工（電子束、離子束以及（jí）激光束加工等）。而且在今後的相當一段時間，亞微米及納米級製造及測量成為製造科技和製造工藝（yì）的主（zhǔ）流。

　　矽晶片主要研究方法及現狀（zhuàng）

　　1.1 矽晶片的形（xíng）成生產矽晶片從製作矽錠開始，這（zhè）可能需要一周至一個月的時間。75%以上的單晶矽片使用切克勞斯基直拉（CZ）法製成。將大塊的（de）多晶（jīng）矽與少量（liàng）摻雜劑一（yī）起放入石英坩堝內即可製（zhì）出矽（guī）錠（dìng）。多晶矽通過氯代矽烷和氫氣的複合還原及（jí）純化處理（lǐ）從砂石中提煉出來。摻（chān）雜劑使（shǐ）矽錠具有期望的電學特性並決定矽錠的類型 （P 或 N）。單晶拉製是將大塊（kuài）的多晶矽與少量摻雜劑一起放入熔爐石英坩堝內。多晶矽在高純（chún）度氬（yà）氣流中、1400 ℃加工溫（wēn）度（dù）下融化。當其成為熔體時，即（jí）相當於一顆單晶（jīng）矽片的“種子”灑落在了熔體中並且被慢慢地拔出（chū）。種子的表麵（miàn）張力使小量熔融的矽晶體與種子（zǐ）一（yī）起升起，形成一個理想的、與（yǔ）種子具有（yǒu）相同晶體定向的單晶錠塊。成形的單晶錠塊（kuài）被打磨成大致的（de）直徑尺（chǐ）寸，順著錠塊長度方向呈（chéng）現“鋸齒狀”或 “扁平狀”，據此形狀可判斷錠塊（kuài）的結晶定向。切割使用金剛石圓鋸（jù）將晶棒切割成晶片（piàn）。邊緣打磨加工矽（guī）晶片時一個非（fēi）常重要的步驟（zhòu）就是在（zài）後續加工過程或以後的元件製作過程中（zhōng）減（jiǎn）少晶片的破損。初成形的晶片邊緣（yuán）都是（shì）經過充分打磨，這樣做可以大大地（dì）改善清洗效果並減（jiǎn）少破（pò）損，有效率達（dá） 400%。研磨晶（jīng）片在切（qiē）割過後十分粗糙，兩邊均（jun1）有鋸過的痕跡和瑕疵。研磨處理可去除晶片表麵（miàn）的鋸痕和瑕疵（cī），同時能夠緩解切割（gē）過程積聚在晶（jīng）片中的應（yīng）力。研磨過程還會導致出（chū）現裂紋以及其他（tā） 相關現象，通過（guò）蝕刻和清洗，用氫氧化鈉溶液或（huò）乙酸、硝酸混合溶液去除研磨（mó）造成的細裂縫和表麵破損，然後用去離子水衝洗。拋光過（guò）程包括幾個步驟，需要使用越來越細的漿料（拋光劑）。晶片可進行正麵拋光，也可雙麵拋光。拋光處理前對（duì）晶片進行多（duō）晶矽包覆、吹砂或毛刷損傷等“背麵損（sǔn）傷”處理，目的是為（wéi）了“收集瑕疵”，將矽晶（jīng）片的瑕疵拉向晶片背麵，而遠離要加放元器件的正麵。最終清洗，該步驟去除晶片上大（dà）量的金（jīn）屬、殘渣以及顆粒物。清洗方法為 RCA，於 20 世紀 70 年代所研製。第一步稱為 SC1，依次使用氨水、稀氫氟酸、去 離子水清洗。下一步 SC2 清洗包括（kuò）依次使用鹽 酸、雙氧水（shuǐ）、去離子（zǐ）水清洗。

　　清洗處理後晶片最後進（jìn）行雙麵擦洗，去掉最小的（de）顆粒物。矽晶片經過以下過程形成：多晶體矽→極（jí）限拉伸（局域拉伸）→單晶體矽柱→外圓磨削（無心磨削）→磨削切斷（duàn）（精密切割）→圓邊→矽晶片

　　●拉單（dān）晶工序：融化 → 頸部成（chéng）長 → 晶（jīng）冠成長 → 晶體成長 → 尾部（bù）成（chéng）長。

　　●晶棒裁切與檢（jiǎn）測：將長成的晶棒去掉直徑偏小（xiǎo）的頭、尾部分，並（bìng）對尺寸進行檢測，以（yǐ）決定下步加工的工藝參數（shù）。

　　●外徑磨削：由於在晶棒（bàng）成（chéng）長過（guò）程中，其外徑尺寸和圓（yuán）度均有一定偏差，其外圓柱麵也凸凹不平，所以必須對外徑進行修整、研磨，使其尺寸、形狀誤差均小於允許偏差。

　　●切斷（duàn）：由於矽的硬度非常大（dà），所以在本工序裏，采用環狀，其（qí）內徑邊緣鑲嵌有鑽石顆粒的薄片鋸片將晶棒切割成一片片薄片（piàn）。

　　●圓邊：初切割的晶片外邊（biān）緣很鋒（fēng）利，矽單晶又是脆性材料，為避免邊角崩裂影響晶片強度、破壞（huài）表麵光潔和對後工序帶來汙染顆粒，必須用專 用的電腦控製設備自動修整晶片邊緣形狀和（hé）外徑尺（chǐ）寸。

　　1.2 矽晶片的傳統加工（gōng）工藝矽晶片加工是 IC 製造係統重要的基礎環節， 矽片的加工精度、表麵粗糙度和（hé）表（biǎo）麵完整性直接影響 IC 的線寬和（hé） IC 的性能，對（duì）於＜200 mm 的矽 片，傳統的加工工藝過程為：切片（piàn）→倒角→研磨（mó）→ 腐蝕→清洗→拋光（guāng）（如圖 1 所示）。由於（yú）采用內圓金剛石鋸片切割會產生較大的翹（qiào）曲變形，最大翹曲（qǔ）量達（dá）到 37 μm，矽片表麵還會殘留切痕和微裂痕，損傷層深度可達（dá） 10～50 μm，經雙麵研（yán）磨（mó）機平整化（huà）加工後可使矽片厚度公差小於 3 μm，總厚度 變化（huà） TTV＜1 μm，平整度＜1 μm，但表麵粗糙度 為 0.1～0.2 μm，達不到要求，需經過後續的腐蝕去除研磨所（suǒ）產生的表（biǎo）麵損傷（shāng）層，最後經過化（huà）學（xué）機械拋光獲得超光滑無（wú）損傷表麵。

　　1.3 矽晶（jīng）片（piàn）的超精密加工經過上述過程所形成的矽晶片，其平麵度（dù）小於 8 μm，但還需進一步加工，以提高其平麵度和降低（dī）表麵粗糙（cāo）度。其主要過（guò）程為粗磨→精磨→化學刻蝕→拋光（guāng）→電路層製作→背麵磨削→切（qiē）割成小塊。

　　1.3.1 超精密切削（xuē）研究現狀單點金剛石切削（xuē）（SPDT）。單點金剛（gāng）石切削的特點是采用數控方法直接控製加工輪廓和表麵粗（cū）糙度，是加工紅外光學（xué）材料和磨削加工的可替代方法。Venkatesh 等人采用 0°前角、刀尖半徑為 0.75 mm 的金剛石刀具加工矽晶片（piàn），當切削深度為 1 mm、進給速度為 0.4 mm/min、主軸速度為 400 m/min 時，采用 AFM 測量方（fāng）法，所得到的表（biǎo）麵粗糙度達到 1 nm[7]。金剛石（shí）切削刀具刃口圓弧半徑一直在向更小 的方（fāng）向發展，因為它的（de）大小直接影響到被加工表麵的粗糙度，同時還必然要求金剛石刀具更加（jiā）鋒（fēng）利。根據日本大阪（bǎn）大（dà）學島田尚一博士介紹，為了進行（háng）切薄試驗，目標是達到切屑的厚度 1 nm，其刃口圓弧半徑趨近 2～4 nm。為解決金剛石刀（dāo）具的磨損問題，Jiwang Yan 等人提（tí）出采用倒角金剛石刀具大（dà）進給塑性加工單晶矽，在進給量為 5 mm/min 的加工條件下得到的 SEM 連續切屑，加工表麵粗糙度（dù） Ra = 5.1 nm[8]。這（zhè）一方法對於推廣（guǎng）單點（diǎn）切削的生產應用具有重要意義。

　　1.3.2 超精密磨削研究現狀 （1）矽片自旋轉磨削。采用略大於矽片的工件轉台，通過真空吸盤（pán）每次裝夾一個矽片，矽片（piàn）的中心與轉台的中心重合（hé），杯形金剛石砂輪的工作麵調整到矽片的中心（xīn）位置。磨削時（shí），矽片（piàn）和砂輪繞各（gè）自的軸線（xiàn）回轉（zhuǎn），砂（shā）輪隻進行軸向進給。在（zài）超精密磨削中，金剛石（shí）砂輪的修整情況對零件的加工質量有決定性影響。其（qí）修整（zhěng）過程主（zhǔ）要包括修平 / 結合劑去除（chú）和去尖，修平（píng）一般采（cǎi）用金剛（gāng）石砂輪磨削相對軟質物質。結合劑去除主要采 用電解法和接觸放電法。目前，采（cǎi）用矽片自旋轉磨削方法加工直徑 150～ 400 mm（6～16 英寸）矽片，可（kě）實現（xiàn）矽片的（de）正麵超（chāo）精密磨削和背麵磨削（xuē）減薄，所達到的技術指標見表 2。

　　1~20 nm，亞表麵損傷（shāng）深度隻有傳統磨削的 1%～2%，甚至小於拋光加工產生的亞表麵（miàn）損傷深（shēn）度。由於 Tetraform“C”型磨床結（jié）構方麵的原因，Cranfield 大學與 Cranfield 精密工程有限公司（sī）聯合研製成功一種（zhǒng）新型的矽片超精密磨床（見圖 3），該磨床為敞開臥式結構，並（bìng）采取（qǔ）控溫、隔振（zhèn）等措（cuò）施，可在一個工序中以（yǐ）很高的加工效率完成 矽片的塑性域納米磨削，獲得很好（hǎo）的表麵和亞表麵完（wán）整性。據稱（chēng），用該磨床超精密磨削大尺寸矽（guī）片可以完全代替傳統工藝的研磨和腐蝕工序，甚至有望代替拋光加工。（2）微粉金剛石磨盤的研磨和拋光工藝（yì）：A. 高剛度的固著磨料盤安裝在磨拋液槽的底部；B. 磨拋主軸采用（yòng）高精度高剛度（dù）空氣軸承，Z 向采用（yòng）高（gāo）剛度的微（wēi）進給控製係（xì）統，保證工件與磨拋主軸間的位置精度；C. 磨拋運動由工（gōng）件的旋轉和（hé）工作台在 X-Y 方向的（de）高精度運動組成；D. 通過（guò）測力平台精密（mì）檢測過程中的磨拋力，可進行超低載荷磨拋加工（gōng）；E. 采用磨拋液循環過濾和溫度控製（zhì）係統，排除磨拋（pāo）液中的廢屑和保持（chí）磨拋液溫（wēn）度恒（héng）定。F. 利用磨拋液的化學作用和磨盤的（de）機械（xiè）作用，通（tōng）過控製壓力（lì）進行矽片超精密平整化加工，在（zài）正常磨拋壓力下，大直徑（jìng）矽片的平麵度可控製在 5～50 nm 之間。1.3.2 超精密研磨研究現狀在（zài）包括機（jī）械化學研磨（Chemical-Mechanical Polishing）、非接觸式浮動研磨、彈性發射加工等 超精密研削中，機（jī）械（xiè）化學研磨的應用（yòng）比較廣泛。其工作原理是（shì）由溶液的腐蝕作用形成化學反應薄層，然後由磨粒的機械摩擦作用去除。利用軟磨料的活性以及因磨粒與工件間在微觀接（jiē）觸度的摩擦產生的高壓、高溫，使能在很短的接觸時間（jiān）內出現（xiàn）固（gù）相反應（yīng），隨後這種反應生成物被運動的磨粒機械摩擦作用去除。目前去除量最（zuì）小至 0.1 nm，整體厚度變化為（0.2～0.4）μm/300 mm， 表麵光潔度為 1 nm。

　　圖 4 為用 AFM 測得（dé）的表麵 粗糙度。英國和德國對這項技術的研究處於領（lǐng）先地位（wèi）。

　　圖 5（a）、圖 5（b）、圖 5（c）為矽片的粗磨、超（chāo）精密磨（mó）削和超精密磨拋加工及其表麵損傷層（céng）。

　　3 矽片的超精密拋光技術（shù）

　　3.1化學機械拋光

　　化學機械拋光時，旋轉的工件（jiàn）以一定的壓力壓在旋轉的拋光墊上，而由微米或納米磨粒和化學溶液組成的拋光液在工件與拋光墊之間流動，並產生化學（xué）反應（yīng），工件表麵形成的（de）化學反應由磨粒的機械作用（yòng）去除，即在化（huà）學成膜和機械去膜的 交替過程中實現超精密表麵加工———遊離磨料CMP。CMP加工過程中，矽片表麵各點的拋光（guāng）壓力分布是不均勻的，這（zhè）成為影（yǐng）響矽片CMP平（píng）整化加工（gōng）均勻（yún）性的重要因素，夾持和固定矽片的夾盤和背（bèi）襯（chèn）表麵（miàn）平整度直接影響拋光矽片的平整度。日本Tokyo Seimitsu公司應用氣壓控製技（jì）術開發了浮式矽片夾盤，不需要高精度的平（píng）整背襯，通過在夾盤中形成的氣墊支撐矽片的背麵，以保證拋光（guāng）過（guò）程中均勻的（de）壓力分布。

　　3.2等（děng）離子輔助（zhù）化學刻蝕平坦化（huà）技術

　　測量係統把矽片表麵（miàn）凹凸的幾何誤差信息輸入計算機，由（yóu）計算機控製等離子噴嘴（zuǐ）的位置和速度（dù），對凸凹表麵進行局部（bù）加工，刻蝕速度（dù）一般為1~50 mm/min，等離子噴嘴直徑可以從3~30 mm選擇，對精度進行控製。

　　3.3電化學機（jī）械平坦化技術

　　在（zài）傳統的電化學銅沉積工藝基礎上（shàng），在兩個電（diàn）極之間增加非導體多（duō）空拋光墊，利用拋光（guāng）墊的幹（gàn）擾作用實現（xiàn）選擇性電化學銅沉積，同時拋（pāo）光（guāng）墊的機械（xiè）摩擦和拋光作用可去除頂部多餘的銅沉積層，從而通過選擇沉積於機械去除雙重作用，減少多餘銅的厚度，達到（dào）平坦化（huà）的目的。

　　3.4無應（yīng）力拋光技術由電解拋光技術發展而（ér）來，依靠電流密度效應按一係列同心環對銅結構表麵進行平坦化。其工藝過程為：首先利用電解拋光去除大量的銅；再通過二次拋光，以確保全部去除頂部的銅；最（zuì）後（hòu）采用等離子體刻蝕（shí）工藝去除頂部的阻擋層（céng）金屬（shǔ），並 回蝕某些電介質。

　　4矽晶片加工（gōng）設備（bèi）的研究現狀

　　美國LLL實驗室於1983年研（yán）製的DTM-3大型金剛石超精密車床，加（jiā）工平麵度為12.5 nm，加工表麵（miàn）粗糙度Ra為4.2 nm。英國克蘭菲爾德（dé）（Cranfield）技術學院（yuàn）所屬的克蘭菲爾德精（jīng）密工程研究所（簡稱CUPE）是當今世界（jiè）上精密工程（chéng）的研究中心（xīn）之一，是英國超（chāo）精密加工技（jì）術水平的獨特代表。其生產的Nanocentre（納米加工中心）既可以進（jìn）行超精密車削，也可以進行超（chāo）精密磨削，加工工件的形狀精度（dù）為0.1 nm，表麵粗糙度小於10nm。模塊化、構（gòu）建化是超精密（mì）機床進入市場的重要技術手段，如美國ANORAD公司生產各種主軸、導軌和轉台，用戶可根據各自的需要（yào）組成一維、二維和多維超精密運動控製平（píng）台和機床。超精密（mì）機床（chuáng）往往與傳統機床（chuáng）在（zài）結構布局上有（yǒu）很大（dà）差別，流行的布局方式是“T”型（xíng）布局，這種布局（jú）使機床整體剛度較高，控製也相對容（róng）易，如Pneumo公司（sī）生（shēng）產的大部分超精（jīng）密車床都采（cǎi）用這一布局。模塊化使機床布（bù）局（jú）更加靈活多（duō）變，如日本超（chāo）矽晶體研究株式會社研（yán）製的超精密磨床，用於磨（mó）削超大矽晶（jīng）片，采（cǎi）用三角菱形五麵體結構，用於提高剛度；德國蔡司公司研製了（le）4軸AS100精密磨床，用於加工自由形成表麵，該機（jī）床（chuáng）除了X、Z和C軸外，附加了A軸，用（yòng）於加工自由表麵時控製砂輪的（de）切削點。

　　5矽晶片加工方法的發展趨勢

　　（1）雙麵研磨和采用杯形砂輪的回轉磨削可進一步（bù）提高矽晶片的（de）表麵質量，是未來矽晶片超 精密加工很有競爭力的技術；（2）在磨削過程中，通過控製刀具相對於工件的位置和刀具主軸的自動調整來獲得理（lǐ）想的加工表（biǎo）麵（miàn），實現以磨代拋；（3）為進一步提高矽晶片的表麵質量，大摩（mó）擦係數的化學機械拋光有可能得（dé）到應用；（4）對於大尺（chǐ）寸的矽晶片，如果利用固定金剛石刀具進行塑性區域加工，可（kě）提（tí）高加工精度，減（jiǎn）小亞表麵的損傷，減小拋（pāo）光量，提高加工效率；（5）用超（chāo）精密切削代（dài）替超精密磨（mó）削也是超精密（mì）技術發展（zhǎn）方向之一。