半導(dǎo)體硅晶片超精密加工研究
硅是具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)，原子間以共價(jià)鍵結(jié)合的硬脆材料。其硬度達(dá)1000HV，但斷裂強(qiáng)度很低，超精密加工這樣的硬脆材料有一定的難度。同時(shí)，硅又是一種很好的半導(dǎo)體材料，構(gòu)成集成電路半導(dǎo)體晶片（芯片）的90%以上都是硅晶片。以信息網(wǎng)絡(luò)為代表的信息革命浪潮，正在各方面推動(dòng)著社會(huì)進(jìn)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(jìn)步和發(fā)展，主要由半導(dǎo)體硅片上所制成的微細(xì)集成電路芯片及由各種芯片器件制成的各種電器所引起和推動(dòng)的。
另外，在現(xiàn)代國(guó)防和軍事方面，電子信息化武裝的武器裝備在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，甚至起著決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的關(guān)鍵性作用。所有這一切的發(fā)展和需要，都是建立在半導(dǎo)體硅材料的基礎(chǔ)之上。半導(dǎo)體硅材料是半導(dǎo)體工業(yè)最重要的主體功能材料，是第一大功能電子材料，至今全球硅材料的使用仍占半導(dǎo)體材料總量的95%以上。硅材料、硅器件和硅集成電路的發(fā)展與應(yīng)用水平早已成為一個(gè)國(guó)家的國(guó)力、國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化及人民生活水平的重要標(biāo)志。集成電路自 1959 年發(fā)明以來(lái)，集成電路芯片 的集成度在不斷提高，而加工特征尺寸和加工成 本逐步縮小[2]，如表 1 所示。
為了能在硅晶片上印刷集成電路、與其他元件結(jié)合緊密，硅晶片的表面必須平直；特別是隨著集成電路集成度的提高，對(duì)硅晶片表面的線寬、硅晶片的平直度提出了越來(lái)越高的要求；而且企業(yè)為了占領(lǐng)市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、低耗、大尺寸、高精度的硅晶片超精密加工具有極其重要的意義。
超精密加工的加工機(jī)理主要包括“進(jìn)化加工”及“超越性加工”。目前除對(duì)機(jī)理研究外，還對(duì)微觀 表面完整性，在超精密范疇內(nèi)對(duì)各種材料的加工過(guò)程、現(xiàn)象、性能以及工藝參數(shù)進(jìn)行提示性研究。由于直接對(duì)切削點(diǎn)觀察異常困難，現(xiàn)在有提議將切削裝置小型化，放置于SEM的鏡頭下進(jìn)行切削并觀察。日本大阪大學(xué)井川直哉教授等開(kāi)始采用 計(jì)算機(jī)仿真，逐步向揭開(kāi)微量切削的奧秘迫近。超精密加工方法主要包括超精密切削（車(chē)、銑）、超精密磨削、超精密研磨（機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械研磨、非接觸式浮動(dòng)研磨、彈性發(fā)射加工等）以及超精密特種加工（電子束、離子束以及激光束加工等）。而且在今后的相當(dāng)一段時(shí)間，亞微米及納米級(jí)制造及測(cè)量成為制造科技和制造工藝的主流。
硅晶片主要研究方法及現(xiàn)狀
1.1 硅晶片的形成生產(chǎn)硅晶片從制作硅錠開(kāi)始，這可能需要一周至一個(gè)月的時(shí)間。75%以上的單晶硅片使用切克勞斯基直拉（CZ）法制成。將大塊的多晶硅與少量摻雜劑一起放入石英坩堝內(nèi)即可制出硅錠。多晶硅通過(guò)氯代硅烷和氫氣的復(fù)合還原及純化處理從砂石中提煉出來(lái)。摻雜劑使硅錠具有期望的電學(xué)特性并決定硅錠的類(lèi)型 （P 或 N）。單晶拉制是將大塊的多晶硅與少量摻雜劑一起放入熔爐石英坩堝內(nèi)。多晶硅在高純度氬氣流中、1400 ℃加工溫度下融化。當(dāng)其成為熔體時(shí)，即相當(dāng)于一顆單晶硅片的“種子”灑落在了熔體中并且被慢慢地拔出。種子的表面張力使小量熔融的硅晶體與種子一起升起，形成一個(gè)理想的、與種子具有相同晶體定向的單晶錠塊。成形的單晶錠塊被打磨成大致的直徑尺寸，順著錠塊長(zhǎng)度方向呈現(xiàn)“鋸齒狀”或 “扁平狀”，據(jù)此形狀可判斷錠塊的結(jié)晶定向。切割使用金剛石圓鋸將晶棒切割成晶片。邊緣打磨加工硅晶片時(shí)一個(gè)非常重要的步驟就是在后續(xù)加工過(guò)程或以后的元件制作過(guò)程中減少晶片的破損。初成形的晶片邊緣都是經(jīng)過(guò)充分打磨，這樣做可以大大地改善清洗效果并減少破損，有效率達(dá) 400%。研磨晶片在切割過(guò)后十分粗糙，兩邊均有鋸過(guò)的痕跡和瑕疵。研磨處理可去除晶片表面的鋸痕和瑕疵，同時(shí)能夠緩解切割過(guò)程積聚在晶片中的應(yīng)力。研磨過(guò)程還會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋以及其他 相關(guān)現(xiàn)象，通過(guò)蝕刻和清洗，用氫氧化鈉溶液或乙酸、硝酸混合溶液去除研磨造成的細(xì)裂縫和表面破損，然后用去離子水沖洗。拋光過(guò)程包括幾個(gè)步驟，需要使用越來(lái)越細(xì)的漿料（拋光劑）。晶片可進(jìn)行正面拋光，也可雙面拋光。拋光處理前對(duì)晶片進(jìn)行多晶硅包覆、吹砂或毛刷損傷等“背面損傷”處理，目的是為了“收集瑕疵”，將硅晶片的瑕疵拉向晶片背面，而遠(yuǎn)離要加放元器件的正面。最終清洗，該步驟去除晶片上大量的金屬、殘?jiān)约邦w粒物。清洗方法為 RCA，于 20 世紀(jì) 70 年代所研制。第一步稱(chēng)為 SC1，依次使用氨水、稀氫氟酸、去 離子水清洗。下一步 SC2 清洗包括依次使用鹽 酸、雙氧水、去離子水清洗。
清洗處理后晶片最后進(jìn)行雙面擦洗，去掉最小的顆粒物。硅晶片經(jīng)過(guò)以下過(guò)程形成：多晶體硅→極限拉伸（局域拉伸）→單晶體硅柱→外圓磨削（無(wú)心磨削）→磨削切斷（精密切割）→圓邊→硅晶片
●拉單晶工序：融化 → 頸部成長(zhǎng) → 晶冠成長(zhǎng) → 晶體成長(zhǎng) → 尾部成長(zhǎng)。
●晶棒裁切與檢測(cè)：將長(zhǎng)成的晶棒去掉直徑偏小的頭、尾部分，并對(duì)尺寸進(jìn)行檢測(cè)，以決定下步加工的工藝參數(shù)。
●外徑磨削：由于在晶棒成長(zhǎng)過(guò)程中，其外徑尺寸和圓度均有一定偏差，其外圓柱面也凸凹不平，所以必須對(duì)外徑進(jìn)行修整、研磨，使其尺寸、形狀誤差均小于允許偏差。
●切斷：由于硅的硬度非常大，所以在本工序里，采用環(huán)狀，其內(nèi)徑邊緣鑲嵌有鉆石顆粒的薄片鋸片將晶棒切割成一片片薄片。
●圓邊：初切割的晶片外邊緣很鋒利，硅單晶又是脆性材料，為避免邊角崩裂影響晶片強(qiáng)度、破壞表面光潔和對(duì)后工序帶來(lái)污染顆粒，必須用專(zhuān) 用的電腦控制設(shè)備自動(dòng)修整晶片邊緣形狀和外徑尺寸。
1.2 硅晶片的傳統(tǒng)加工工藝硅晶片加工是 IC 制造系統(tǒng)重要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)， 硅片的加工精度、表面粗糙度和表面完整性直接影響 IC 的線寬和 IC 的性能，對(duì)于＜200 mm 的硅 片，傳統(tǒng)的加工工藝過(guò)程為：切片→倒角→研磨→ 腐蝕→清洗→拋光（如圖 1 所示）。由于采用內(nèi)圓金剛石鋸片切割會(huì)產(chǎn)生較大的翹曲變形，最大翹曲量達(dá)到 37 μm，硅片表面還會(huì)殘留切痕和微裂痕，損傷層深度可達(dá) 10～50 μm，經(jīng)雙面研磨機(jī)平整化加工后可使硅片厚度公差小于 3 μm，總厚度 變化 TTV＜1 μm，平整度＜1 μm，但表面粗糙度 為 0.1～0.2 μm，達(dá)不到要求，需經(jīng)過(guò)后續(xù)的腐蝕去除研磨所產(chǎn)生的表面損傷層，最后經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光獲得超光滑無(wú)損傷表面。
1.3 硅晶片的超精密加工經(jīng)過(guò)上述過(guò)程所形成的硅晶片，其平面度小于 8 μm，但還需進(jìn)一步加工，以提高其平面度和降低表面粗糙度。其主要過(guò)程為粗磨→精磨→化學(xué)刻蝕→拋光→電路層制作→背面磨削→切割成小塊。
1.3.1 超精密切削研究現(xiàn)狀單點(diǎn)金剛石切削（SPDT）。單點(diǎn)金剛石切削的特點(diǎn)是采用數(shù)控方法直接控制加工輪廓和表面粗糙度，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 的金剛石刀具加工硅晶片，當(dāng)切削深度為 1 mm、進(jìn)給速度為 0.4 mm/min、主軸速度為 400 m/min 時(shí)，采用 AFM 測(cè)量方法，所得到的表面粗糙度達(dá)到 1 nm[7]。金剛石切削刀具刃口圓弧半徑一直在向更小 的方向發(fā)展，因?yàn)樗拇笮≈苯佑绊懙奖患庸け砻娴拇植诙龋瑫r(shí)還必然要求金剛石刀具更加鋒利。根據(jù)日本大阪大學(xué)島田尚一博士介紹，為了進(jìn)行切薄試驗(yàn)，目標(biāo)是達(dá)到切屑的厚度 1 nm，其刃口圓弧半徑趨近 2～4 nm。為解決金剛石刀具的磨損問(wèn)題，Jiwang Yan 等人提出采用倒角金剛石刀具大進(jìn)給塑性加工單晶硅，在進(jìn)給量為 5 mm/min 的加工條件下得到的 SEM 連續(xù)切屑，加工表面粗糙度 Ra = 5.1 nm[8]。這一方法對(duì)于推廣單點(diǎn)切削的生產(chǎn)應(yīng)用具有重要意義。
1.3.2 超精密磨削研究現(xiàn)狀 （1）硅片自旋轉(zhuǎn)磨削。采用略大于硅片的工件轉(zhuǎn)臺(tái)，通過(guò)真空吸盤(pán)每次裝夾一個(gè)硅片，硅片的中心與轉(zhuǎn)臺(tái)的中心重合，杯形金剛石砂輪的工作面調(diào)整到硅片的中心位置。磨削時(shí)，硅片和砂輪繞各自的軸線回轉(zhuǎn)，砂輪只進(jìn)行軸向進(jìn)給。在超精密磨削中，金剛石砂輪的修整情況對(duì)零件的加工質(zhì)量有決定性影響。其修整過(guò)程主要包括修平 / 結(jié)合劑去除和去尖，修平一般采用金剛石砂輪磨削相對(duì)軟質(zhì)物質(zhì)。結(jié)合劑去除主要采 用電解法和接觸放電法。目前，采用硅片自旋轉(zhuǎn)磨削方法加工直徑 150～ 400 mm（6～16 英寸）硅片，可實(shí)現(xiàn)硅片的正面超精密磨削和背面磨削減薄，所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表 2。
1~20 nm，亞表面損傷深度只有傳統(tǒng)磨削的 1%～2%，甚至小于拋光加工產(chǎn)生的亞表面損傷深度。由于 Tetraform“C”型磨床結(jié)構(gòu)方面的原因，Cranfield 大學(xué)與 Cranfield 精密工程有限公司聯(lián)合研制成功一種新型的硅片超精密磨床（見(jiàn)圖 3），該磨床為敞開(kāi)臥式結(jié)構(gòu)，并采取控溫、隔振等措施，可在一個(gè)工序中以很高的加工效率完成 硅片的塑性域納米磨削，獲得很好的表面和亞表面完整性。據(jù)稱(chēng)，用該磨床超精密磨削大尺寸硅片可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(pán)的研磨和拋光工藝：A. 高剛度的固著磨料盤(pán)安裝在磨拋液槽的底部；B. 磨拋主軸采用高精度高剛度空氣軸承，Z 向采用高剛度的微進(jìn)給控制系統(tǒng)，保證工件與磨拋主軸間的位置精度；C. 磨拋運(yùn)動(dòng)由工件的旋轉(zhuǎn)和工作臺(tái)在 X-Y 方向的高精度運(yùn)動(dòng)組成；D. 通過(guò)測(cè)力平臺(tái)精密檢測(cè)過(guò)程中的磨拋力，可進(jìn)行超低載荷磨拋加工；E. 采用磨拋液循環(huán)過(guò)濾和溫度控制系統(tǒng)，排除磨拋液中的廢屑和保持磨拋液溫度恒定。F. 利用磨拋液的化學(xué)作用和磨盤(pán)的機(jī)械作用，通過(guò)控制壓力進(jìn)行硅片超精密平整化加工，在正常磨拋壓力下，大直徑硅片的平面度可控制在 5～50 nm 之間。1.3.2 超精密研磨研究現(xiàn)狀在包括機(jī)械化學(xué)研磨（Chemical-Mechanical Polishing）、非接觸式浮動(dòng)研磨、彈性發(fā)射加工等 超精密研削中，機(jī)械化學(xué)研磨的應(yīng)用比較廣泛。其工作原理是由溶液的腐蝕作用形成化學(xué)反應(yīng)薄層，然后由磨粒的機(jī)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觸度的摩擦產(chǎn)生的高壓、高溫，使能在很短的接觸時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)固相反應(yīng)，隨后這種反應(yīng)生成物被運(yùn)動(dòng)的磨粒機(jī)械摩擦作用去除。目前去除量最小至 0.1 nm，整體厚度變化為（0.2～0.4）μm/300 mm， 表面光潔度為 1 nm。
圖 4 為用 AFM 測(cè)得的表面 粗糙度。英國(guó)和德國(guó)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究處于領(lǐng)先地位。
圖 5（a）、圖 5（b）、圖 5（c）為硅片的粗磨、超精密磨削和超精密磨拋加工及其表面損傷層。
3 硅片的超精密拋光技術(shù)
3.1化學(xué)機(jī)械拋光
化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)，旋轉(zhuǎn)的工件以一定的壓力壓在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上，而由微米或納米磨粒和化學(xué)溶液組成的拋光液在工件與拋光墊之間流動(dòng)，并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，工件表面形成的化學(xué)反應(yīng)由磨粒的機(jī)械作用去除，即在化學(xué)成膜和機(jī)械去膜的 交替過(guò)程中實(shí)現(xiàn)超精密表面加工———游離磨料CMP。CMP加工過(guò)程中，硅片表面各點(diǎn)的拋光壓力分布是不均勻的，這成為影響硅片CMP平整化加工均勻性的重要因素，夾持和固定硅片的夾盤(pán)和背襯表面平整度直接影響拋光硅片的平整度。日本Tokyo Seimitsu公司應(yīng)用氣壓控制技術(shù)開(kāi)發(fā)了浮式硅片夾盤(pán)，不需要高精度的平整背襯，通過(guò)在夾盤(pán)中形成的氣墊支撐硅片的背面，以保證拋光過(guò)程中均勻的壓力分布。
3.2等離子輔助化學(xué)刻蝕平坦化技術(shù)
測(cè)量系統(tǒng)把硅片表面凹凸的幾何誤差信息輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制等離子噴嘴的位置和速度，對(duì)凸凹表面進(jìn)行局部加工，刻蝕速度一般為1~50 mm/min，等離子噴嘴直徑可以從3~30 mm選擇，對(duì)精度進(jìn)行控制。
3.3電化學(xué)機(jī)械平坦化技術(shù)
在傳統(tǒng)的電化學(xué)銅沉積工藝基礎(chǔ)上，在兩個(gè)電極之間增加非導(dǎo)體多空拋光墊，利用拋光墊的干擾作用實(shí)現(xiàn)選擇性電化學(xué)銅沉積，同時(shí)拋光墊的機(jī)械摩擦和拋光作用可去除頂部多余的銅沉積層，從而通過(guò)選擇沉積于機(jī)械去除雙重作用，減少多余銅的厚度，達(dá)到平坦化的目的。
3.4無(wú)應(yīng)力拋光技術(shù)由電解拋光技術(shù)發(fā)展而來(lái)，依靠電流密度效應(yīng)按一系列同心環(huán)對(duì)銅結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行平坦化。其工藝過(guò)程為：首先利用電解拋光去除大量的銅；再通過(guò)二次拋光，以確保全部去除頂部的銅；最后采用等離子體刻蝕工藝去除頂部的阻擋層金屬，并 回蝕某些電介質(zhì)。
4硅晶片加工設(shè)備的研究現(xiàn)狀
美國(guó)LLL實(shí)驗(yàn)室于1983年研制的DTM-3大型金剛石超精密車(chē)床，加工平面度為12.5 nm，加工表面粗糙度Ra為4.2 nm。英國(guó)克蘭菲爾德（Cranfield）技術(shù)學(xué)院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)CUPE）是當(dāng)今世界上精密工程的研究中心之一，是英國(guó)超精密加工技術(shù)水平的獨(dú)特代表。其生產(chǎn)的Nanocentre（納米加工中心）既可以進(jìn)行超精密車(chē)削，也可以進(jìn)行超精密磨削，加工工件的形狀精度為0.1 nm，表面粗糙度小于10nm。模塊化、構(gòu)建化是超精密機(jī)床進(jìn)入市場(chǎng)的重要技術(shù)手段，如美國(guó)ANORAD公司生產(chǎn)各種主軸、導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺(tái)，用戶可根據(jù)各自的需要組成一維、二維和多維超精密運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)和機(jī)床。超精密機(jī)床往往與傳統(tǒng)機(jī)床在結(jié)構(gòu)布局上有很大差別，流行的布局方式是“T”型布局，這種布局使機(jī)床整體剛度較高，控制也相對(duì)容易，如Pneumo公司生產(chǎn)的大部分超精密車(chē)床都采用這一布局。模塊化使機(jī)床布局更加靈活多變，如日本超硅晶體研究株式會(huì)社研制的超精密磨床，用于磨削超大硅晶片，采用三角菱形五面體結(jié)構(gòu)，用于提高剛度；德國(guó)蔡司公司研制了4軸AS100精密磨床，用于加工自由形成表面，該機(jī)床除了X、Z和C軸外，附加了A軸，用于加工自由表面時(shí)控制砂輪的切削點(diǎn)。
5硅晶片加工方法的發(fā)展趨勢(shì)
?。?）雙面研磨和采用杯形砂輪的回轉(zhuǎn)磨削可進(jìn)一步提高硅晶片的表面質(zhì)量，是未來(lái)硅晶片超 精密加工很有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)；（2）在磨削過(guò)程中，通過(guò)控制刀具相對(duì)于工件的位置和刀具主軸的自動(dòng)調(diào)整來(lái)獲得理想的加工表面，實(shí)現(xiàn)以磨代拋；（3）為進(jìn)一步提高硅晶片的表面質(zhì)量，大摩擦系數(shù)的化學(xué)機(jī)械拋光有可能得到應(yīng)用；（4）對(duì)于大尺寸的硅晶片，如果利用固定金剛石刀具進(jìn)行塑性區(qū)域加工，可提高加工精度，減小亞表面的損傷，減小拋光量，提高加工效率；（5）用超精密切削代替超精密磨削也是超精密技術(shù)發(fā)展方向之一。
