单晶硅片的制造技术A版.docVIP

Word可编辑 单晶硅片的制造技术 ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｑｅｕｃｅｈｏｎＭｆｉｏｎｏｃｒｙｓＳｔｉａｌｌｃｉｏｎＷａｆｅｒｓ 浙江工业大学浙西分校先进制造实验室（３２４００６吴）明明周兆忠巫少龙 【摘要】随着ＣＩ技术的进步，集成电路芯片不断向高集成化、高密度化及高性能化方向发展。传 统的硅片制造技术主要适应小直径（ ≤２００ｍｍ）硅片的生产；随着大直径硅片的应用， 硅片 的超精密磨削得到广泛的应用。本文主要论述了小直径硅片的制造技术以及适应大直径硅片 生产的硅片自旋转磨削法硅片磨削的加工原理和工艺特点。 关键词Ｉ Ｃ 硅片研磨抛光磨削 Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓＩＣ ，ｓｌｉｃｉｏ ｎ ｗ ａ ｆ ｅａｒｐ，ｐｎｌｉｇ ， ｐｉｏｓｌｈｎｉｇ ， ｇｎｒｄｉｎｉｇ 集成电路（ＩＣ）是现代信息产业和信息社会的基 便于实现机电器件的集成化。在室温下， 单晶硅在外 础，是推动国民经济和社会信息化发展最主要的高 力作用下很难产生位错和滑移。但由于其抗拉应力 新技术，也是改造和提升传统产业的核心技术。Ｉ Ｃ 远大于抗剪应力，因此，在切割、研磨和机械抛光等 所用的材料主要是硅、锗和砷化镓等，全球９０ 以 加工过程中，硅材料由于承受剪切应力而易于产生 上ＩＣ都采用硅片。制造ＩＣ的硅片，不仅要求极高的 破碎现象，从而影响成品率。 平面度，极小的表面粗糙度值，而且要求表面无变质 ２ 硅片直径及集成电路的发展趋势 层、无划伤。目前硅单晶制备技术可使晶体径向参数 按照美国半导体工业协会（ ＳＩＡ）提出的微电子 均匀，体内微缺陷减少， ０．１～０２．ｍ３大／小的缺陷平 技术发展构图， 到２００８年将，开始使用直径为４５０ 均可以少于０．０５个／平方厘米；对电路加工过程中 ｍｍ的硅片，实现特征线宽０．０７ｂｔｍ，硅片表面总厚 诱生的缺陷理论模型也有了较为完整的认识，由此 发展了一整套完美晶体的加工工艺。此外， 随着半导 度变化（ＴＴＶ）要求小于０．ｂｔ２ｍ，硅片表面局部平 整度（ＳＦＱＤ）要求为设计线宽的ｚ／硅３片，表面粗糙 体工业的飞速发展， 为满足现代微处理器和其他逻 度要求达到纳米和亚纳米级，芯片集成度达到９ ０００ 辑芯片要求，一方面，为了增大芯片产量，降低单元 万个晶体管／平方厘米等。目前，一个芯片上可集成 制造成本，要求硅片的直径不断增大；另一方面， 为 几亿个元件，集成电路已进入ＵＬＳＩ阶段，ＵＬＳＩ电 了提高ＩＣ的集成度，要求硅片的刻线宽度越来越 路集成度的迅速增长主要取决于以下２个因素： 一 细。ＩＣ制造技术已经跨入０．１３／２ｍ和３００ｍｍ时 是完美晶体生长技术已达到极高的水平；二是制造 代，这对单晶硅片的制造技术提出了新的要求。 设备不断完善，加工精度、自动化程度和可靠性的提 １ 硅的材料性能 高已使器件尺寸进入深亚微米级领域（集成电路集 纯净的单晶硅具有灰色金属光泽， 硬而脆，是典 型金刚石结构的半导体， 经抛光后表面光亮如镜。 硅 成水平的发展趋势如表１）。 表１集成电路集成水平的发展趋势 的熔点为１４２０℃，常温下硅的化学性质稳定，升温 时，很容易同氧、氯等多种物质发生反应，高温下极 活泼。硅不溶于盐酸、硫酸、硝酸及王水， 但易溶于 ＨＦ—ＨＮＯ。混合液，后者常用作为硅的腐蚀液；硅 易与碱反应，可用来显示晶体缺陷； 硅与金属作用能 生成多种硅化物，可用来制作大规模和超大规模集 随着硅片直径的增大， 为了保证硅片具有足够 成电路内部引线、电阻等。硅还具有良好的机电合一 的强度，原始硅片（ｐｉｒｍａｒｗｙａｅｆｒ）的厚度也相应增 的特性：既有足够的机械强度， 又有优良的电性能， 加，目前，直径２ｏ０ｍｍ硅片的平均厚度为７００ 《新技术新工艺》机械加工与自动化２００４年第５期 ．７． ｍ，而直径ｑ￣３０ｍ０ｍ的硅片平均厚度已增加到 ｍｍ的硅片，传统的硅片加工工艺流程为： 单晶生长 ７７５．ｔｍＩ。与此相反，为满足ＩＣ芯片封装的需要、提 一切断一外径滚磨一平边或Ｖ形槽处理一切片一 高ＩＣ尤其是功率ＩＣ的可靠性，降低热阻、提高芯片 倒角一研磨一腐蚀一抛光一清洗一包装。 的散热能力和成品率， 要求芯片厚度薄型化， 芯片的 ３．１单晶生长 平均厚度每二年减少１／２，目前芯片厚度已减小到 长成单晶硅棒的方法有２种： 直拉法（ＣＺ）和浮 １００～２００ｍ，智能卡、ＭＥＭＳ、生物医学传感器等 融法（ＦＺ）。其中ＣＺ法占了约８５，ＣＺ法之所以比 ＩＣ芯片厚度已减到１００ｍ以下， 高密度电子结构 ＦＺ法更普遍地应用于半导体工业， 主要在于它的高 的三维集成和立体封装芯片更是需要厚度小于５０ 氧含量提供了晶片强化，另一方面是ＣＺ法比ＦＺ法 ｍ超薄的硅片。硅片直径、 厚度以及芯片厚度的变 更容易生产出大尺寸的单晶硅棒。 化