半導體矽晶片超精密加（jiā）工（gōng）研究

　　矽（guī）是具有金剛石晶體結構，原子間以共價鍵（jiàn）結合的（de）硬脆材料。其硬度達1000HV，但斷裂強度很低，超（chāo）精密加（jiā）工這樣的硬脆材料有一定的難度（dù）。同時，矽又是一種很（hěn）好的半導體材料，構成集成電路半導體（tǐ）晶片（芯片）的90%以上都是矽晶片。以信息網絡為代表的信息革命浪潮，正在各方麵推動著社（shè）會進步，改變著人們的生活方（fāng）式，提高（gāo）人（rén）們的生活水平（píng）。所有這些進步和（hé）發展，主要由半導體矽（guī）片上所製（zhì）成的微細（xì）集成電路芯片及由各種芯片（piàn）器件製成的各種電器所引起和推動的。

　　另外，在現（xiàn）代國防和軍事方麵，電子信息化武裝的武（wǔ）器裝備在現代戰爭中發揮著（zhe）越來越重要的作用，甚至起著決定戰爭勝負的關鍵性（xìng）作（zuò）用。所有這（zhè）一切的發展和需要，都是建立（lì）在半導體（tǐ）矽材料的基礎之上。半導體矽材料是半導體工（gōng）業最重要的主（zhǔ）體功能（néng）材料，是第一大功能（néng）電（diàn）子材料，至今全球矽材料的使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（fā）展與應用水平早已（yǐ）成為一個（gè）國家（jiā）的國力（lì）、國防、國民經濟現（xiàn）代化及人（rén）民生活水平的重要標誌。集成（chéng）電路自 1959 年發明以來，集（jí）成電路（lù）芯片 的集成度在不（bú）斷提高，而加工特征（zhēng）尺寸和（hé）加工成 本逐步縮小[2]，如表 1 所示。

　　為了能在（zài）矽晶片上印刷集成電（diàn）路、與其他元件（jiàn）結合緊密，矽晶片的表麵必須（xū）平直；特（tè）別是隨著集成（chéng）電路集成度的提高，對矽晶片表麵的線寬、矽晶片的平直度提出了越（yuè）來越高的要求；而且企業為了占領市場，實現（xiàn）優質、低耗、大尺寸、高精度的矽晶片超精密加工具有極其重要（yào）的（de）意義。

　　超精密加工的加（jiā）工機理主要包括“進化加工”及“超越（yuè）性加工”。目前除對機理（lǐ）研究外，還對微觀 表麵完整（zhěng）性，在超精密範（fàn）疇內對各種材料的加工過程、現象、性能以及工藝參數（shù）進行（háng）提示性（xìng）研（yán）究。由於直（zhí）接（jiē）對切削點觀察異常困難，現在有（yǒu）提議將切（qiē）削裝置小型化，放置於SEM的鏡頭下進行（háng）切削並觀察。日本（běn）大阪大（dà）學（xué）井川直哉教授等開始采用 計算機仿（fǎng）真，逐步（bù）向（xiàng）揭開微量切削的奧秘迫近（jìn）。超精密（mì）加工方（fāng）法主要（yào）包括超精密切削（xuē）（車、銑）、超精密磨削、超精密（mì）研磨（機械研（yán）磨、化學機械研磨、非接觸式浮動研磨、彈性發射加（jiā）工等）以及超精密特種加工（電子束、離子束（shù）以及激（jī）光束加工等）。而（ér）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的主流。

　　矽晶片主要研究方法及現狀

　　1.1 矽晶（jīng）片的形成生產矽晶片從製作矽錠開始，這可能需要一周至一個月的時間。75%以上的單晶矽片使用切（qiē）克勞（láo）斯基直拉（CZ）法製成。將大塊的多晶矽（guī）與少量摻雜劑一起（qǐ）放入石英坩堝內即可製出矽錠。多晶矽通過氯代矽烷和氫氣的複合還原及純化處理從砂石中提煉出來。摻雜劑使矽錠（dìng）具有期望（wàng）的電學特性（xìng）並決定矽錠（dìng）的類型 （P 或 N）。單晶拉製是將大塊（kuài）的多晶矽（guī）與少量摻雜（zá）劑一起放入熔爐石英坩堝內。多晶矽在高（gāo）純度氬氣流中、1400 ℃加工溫度下融化。當其成為熔體時，即相當於一顆單晶矽片的“種子”灑落在了熔體中並且（qiě）被慢慢地拔出。種子的（de）表麵（miàn）張力使小量熔融的（de）矽（guī）晶體與種子一（yī）起升起，形成一個理想的、與種子具有相同晶體定向的單晶錠（dìng）塊。成形的（de）單晶錠塊被（bèi）打磨成大致的直徑尺寸，順著錠塊長度方向（xiàng）呈現“鋸齒狀”或 “扁平狀”，據此形狀可判斷錠塊的結晶定向。切割使用金剛石圓鋸（jù）將晶棒切割成晶片。邊緣打磨加工矽晶片時一個非常重（chóng）要的步（bù）驟就（jiù）是在後續加工過程或以（yǐ）後的元件製作過程（chéng）中減（jiǎn）少晶片（piàn）的破損（sǔn）。初成（chéng）形的晶片邊緣都是經過（guò）充分打磨，這樣做可以大大地改善清洗效果並減少破（pò）損，有效率達 400%。研磨晶片（piàn）在切割過後十分粗糙，兩邊均有鋸過的痕跡和瑕（xiá）疵（cī）。研磨處理可去除晶（jīng）片表麵的鋸痕和瑕疵，同時能夠緩解切割過程積聚在晶片中的應力（lì）。研磨過程還會導致出現裂（liè）紋以及其他 相關現象，通過蝕刻和清洗，用氫氧化鈉溶液或乙酸、硝酸混合溶液去除研磨造成（chéng）的細裂縫和表（biǎo）麵破（pò）損，然後用去（qù）離子水衝洗。拋光過（guò）程包括幾個步驟，需要使（shǐ）用越來越細的漿料（拋光劑）。晶片可進（jìn）行正麵拋光，也可雙麵拋光。拋光處理前對晶片（piàn）進行多晶矽（guī）包覆、吹（chuī）砂或毛刷損傷等“背麵損傷”處理（lǐ），目的是為了“收集瑕疵”，將矽晶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（qīng）洗（xǐ），該步驟去除晶片（piàn）上大量的金屬、殘渣以及顆粒物。清洗方法（fǎ）為 RCA，於 20 世紀 70 年（nián）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（yī）步 SC2 清洗包括依次使用鹽 酸、雙氧水、去離子水（shuǐ）清洗。

　　清洗處（chù）理後晶片最後進行（háng）雙麵擦洗，去（qù）掉最小的顆粒物。矽晶片經過以下過程形成：多晶體矽→極限拉伸（局域拉伸）→單（dān）晶（jīng）體矽柱→外圓磨削（無心磨削）→磨削切（qiē）斷（精密切割）→圓邊→矽晶片

　　●拉單（dān）晶工序：融化 → 頸部（bù）成長 → 晶冠成長 → 晶（jīng）體成長 → 尾（wěi）部成長。

　　●晶棒裁切與檢測：將長成的晶棒去掉直徑偏小（xiǎo）的頭、尾部（bù）分，並對尺（chǐ）寸進行檢測，以決定下步加工的工藝參數。

　　●外徑磨削：由於在晶棒成長過程中，其外徑尺寸和圓度均有（yǒu）一定偏差，其外圓柱麵也（yě）凸凹不平，所以必須對外徑進行修整、研磨，使其尺寸、形狀（zhuàng）誤差均小於允許偏差。

　　●切斷：由於矽的硬（yìng）度非常大，所以在本工序裏，采用（yòng）環狀，其內徑邊緣（yuán）鑲嵌有（yǒu）鑽石顆（kē）粒的薄片鋸片將晶棒切割成一片（piàn）片薄片。

　　●圓邊：初切割的晶片外邊緣很鋒利，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（guāng）潔（jié）和對後工（gōng）序帶來汙染顆粒，必須用（yòng）專 用的電腦控製設備自動修整晶片邊緣形狀和外徑尺寸（cùn）。

　　1.2 矽晶片的傳統（tǒng）加工工藝矽晶片加（jiā）工是（shì） IC 製造係統重要的基礎環（huán）節， 矽片的加（jiā）工精度、表麵（miàn）粗糙度和表麵完整性直接影響 IC 的線寬和 IC 的性能，對於＜200 mm 的矽（guī） 片，傳統的加工工藝過程（chéng）為：切片→倒角→研磨→ 腐蝕→清洗→拋光（如圖（tú） 1 所示）。由（yóu）於采（cǎi）用內（nèi）圓金剛石鋸片切割會產生較大的翹曲（qǔ）變形，最大（dà）翹曲量達到 37 μm，矽片表麵還會殘留切痕和微裂痕，損傷層深度可達 10～50 μm，經雙麵研磨機平（píng）整化加工後可使矽片厚度公差小於（yú） 3 μm，總厚度 變化 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）麵損傷層，最後經過化學機械拋光獲得超光滑無損（sǔn）傷表麵。

　　1.3 矽晶片的超精（jīng）密加工經過上述（shù）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（gāo）其平麵度和降低表麵粗糙度。其主要過程為粗磨→精磨→化學刻蝕→拋光（guāng）→電路層製作→背麵磨削→切割成小塊。

　　1.3.1 超精密（mì）切削研（yán）究現（xiàn）狀單點金剛石（shí）切削（SPDT）。單點金（jīn）剛石（shí）切削的特點（diǎn）是采用數（shù）控方法直接控製加工輪（lún）廓（kuò）和表麵粗糙度，是（shì）加工紅外光學材料和磨削加工的可替代方法（fǎ）。Venkatesh 等人采用 0°前角、刀尖半徑為（wéi） 0.75 mm 的金剛（gāng）石（shí）刀（dāo）具加工矽晶片，當（dāng）切（qiē）削深度（dù）為 1 mm、進給速度為 0.4 mm/min、主軸速（sù）度為 400 m/min 時，采用 AFM 測量方法，所得到的表麵粗糙度（dù）達到 1 nm[7]。金剛石切削刀具（jù）刃口圓弧半徑（jìng）一（yī）直在向更小 的方向發展，因為它的大小直（zhí）接影響到被加工表麵的粗糙度，同（tóng）時還必然要（yào）求金（jīn）剛石刀具更加鋒利。根據日本（běn）大阪大學島田尚一博士介紹（shào），為了進行切薄試驗，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（jīn）剛石刀具的磨（mó）損問題，Jiwang Yan 等人提出采用倒（dǎo）角金剛石（shí）刀具（jù）大進給（gěi）塑性加（jiā）工單晶矽，在進給量為 5 mm/min 的加（jiā）工條件下得到（dào）的（de） SEM 連續（xù）切屑，加工表麵粗糙度 Ra = 5.1 nm[8]。這一方法對於推廣單點切削的生產應（yīng）用具有重要意義。

　　1.3.2 超精密磨削（xuē）研究（jiū）現狀（zhuàng） （1）矽片自旋轉磨削。采用略大於矽片的工件轉台，通過真空吸盤每次裝夾一個矽片，矽片的中心與轉（zhuǎn）台的中（zhōng）心重合，杯形金（jīn）剛（gāng）石砂輪的工作麵調整到矽片的中心位置。磨削時，矽片和砂輪（lún）繞各自的軸線回轉，砂輪隻進行軸向進給。在超精密磨（mó）削中，金剛石砂輪的修整情況對零件的（de）加（jiā）工質量有（yǒu）決（jué）定性影（yǐng）響。其修（xiū）整過程主要（yào）包括（kuò）修平 / 結合劑去除和去尖，修（xiū）平一般采（cǎi）用金剛石砂輪磨削（xuē）相對軟質物（wù）質。結合劑去除主要采 用電解法和接觸放電法。目前，采用矽片自旋轉（zhuǎn）磨削方法加工直徑 150～ 400 mm（6～16 英寸）矽片，可實現（xiàn）矽片的正麵超精密磨（mó）削和背麵磨削減薄，所達到的技術指標見表 2。

　　1~20 nm，亞表麵（miàn）損傷深度隻有傳統磨削的 1%～2%，甚至（zhì）小於拋（pāo）光（guāng）加工產生的亞表麵損傷深度。由於 Tetraform“C”型磨床結構方（fāng）麵的原因，Cranfield 大學與 Cranfield 精密工程（chéng）有限公司聯合研製成功一種新型的矽片超精密磨（mó）床（見圖 3），該磨床為敞開臥式結構，並采取控溫、隔振等措施，可在一個工序中以（yǐ）很高的加工效率完（wán）成 矽片的塑性域（yù）納米磨削（xuē），獲得很好的表麵和亞表麵完整性。據稱，用該磨床超精密磨削大尺寸矽片可（kě）以完全代替傳統工藝的研磨和腐蝕（shí）工序，甚至有望代替拋光加工。（2）微粉金剛石磨盤的研（yán）磨和拋光工藝：A. 高剛度的固著磨料盤安裝在（zài）磨拋液槽的底部；B. 磨拋主軸采用高精度（dù）高剛度空氣軸承，Z 向（xiàng）采用（yòng）高剛（gāng）度的微進給控製係（xì）統（tǒng），保證工件與磨（mó）拋主軸間的位置精度；C. 磨拋（pāo）運動由（yóu）工件的旋轉和工作台在 X-Y 方（fāng）向的高精度運動（dòng）組成；D. 通過測力平台精密檢測過程中的磨拋力，可進行超低（dī）載荷（hé）磨拋加（jiā）工；E. 采用磨拋液循環過濾和溫度控製（zhì）係（xì）統，排除磨拋液中的（de）廢屑和保持磨拋液溫度恒定。F. 利用磨拋液的化學作用和磨盤的機械作用，通過控製壓（yā）力進行矽片超精密平整化加（jiā）工，在正常磨拋壓力下，大直徑矽片的平（píng）麵度可控製在 5～50 nm 之間。1.3.2 超精密研磨研究（jiū）現（xiàn）狀在包括機械化學（xué）研磨（Chemical-Mechanical Polishing）、非接觸式浮動研磨、彈性發射加工等 超精密研（yán）削中，機（jī）械化學研磨的應用比較廣泛（fàn）。其（qí）工作原理是由溶液的腐蝕作（zuò）用形成化學反應薄層（céng），然後由磨粒的機械（xiè）摩（mó）擦作用去除。利用軟（ruǎn）磨料的活性以及因（yīn）磨粒與工件間在微觀接觸度的摩擦產生的高壓、高溫，使能在很短的接觸時間內出現固相反應，隨後這種反應生成物被運動的磨粒機械摩擦作用去除（chú）。目前（qián）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 測得的表麵 粗（cū）糙（cāo）度。英國和德（dé）國對這項技（jì）術的研究處於（yú）領先地位。

　　圖 5（a）、圖 5（b）、圖 5（c）為矽片的（de）粗磨、超精密磨削和超精密磨拋（pāo）加工及其表麵損傷層。

　　3 矽片的超精（jīng）密拋光（guāng）技術

　　3.1化學機械拋光

　　化學機械拋光時，旋轉的工（gōng）件以一定的（de）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（guāng）液在工件與拋光墊之間流動，並產生化學反應，工件（jiàn）表麵形成的化學反應由磨粒的機械作（zuò）用去除，即在化學成（chéng）膜和機械去膜的 交替過程中實現超（chāo）精密表麵加工———遊離（lí）磨料（liào）CMP。CMP加工過程中，矽片表麵各點的拋光壓力分布是不均勻的，這成為影響矽片CMP平整化加工均勻性的重要因素，夾（jiá）持和固定矽片的夾盤和背襯表麵平整度直接影（yǐng）響拋光矽片的平整度。日本Tokyo Seimitsu公司應用氣壓（yā）控製（zhì）技術開（kāi）發了浮式矽片夾盤，不（bú）需（xū）要高精度的平整背襯，通過（guò）在夾盤中形成的（de）氣墊支撐矽片的背麵，以（yǐ）保證拋光過程中均勻（yún）的壓力分布。

　　3.2等離子輔助化學刻蝕平（píng）坦化技術

　　測量係統把矽片表麵凹凸（tū）的幾何誤差信息輸入計算機，由計算機控製等離子噴嘴的位（wèi）置和（hé）速度，對凸凹表麵進行局部加工，刻蝕速度一般為（wéi）1~50 mm/min，等（děng）離子噴嘴直徑可以從3~30 mm選擇，對精度（dù）進行控製。

　　3.3電化學機（jī）械平坦化技術

　　在傳統的電化學銅沉積工藝基礎上，在兩個電極之間增（zēng）加非導體多空（kōng）拋光墊，利（lì）用拋光（guāng）墊的幹擾作用實現選擇性電化學銅沉積，同時拋光墊的機械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（duō）餘銅的（de）厚度，達到平坦化的目的。

　　3.4無應力拋光技術由（yóu）電解拋光技術（shù）發展而來，依靠電流密度效應（yīng）按一係列同心環（huán）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（liàng）的銅（tóng）；再通過二次拋光，以確保全部去（qù）除頂部的銅；最後采用等離子體刻蝕工藝去除（chú）頂部的阻擋層金屬（shǔ），並 回蝕某些電介質。

　　4矽晶片加工設備的研究現狀

　　美國LLL實驗室於1983年研製的DTM-3大型金剛石超精密車床，加工平麵度為12.5 nm，加（jiā）工表麵粗糙度Ra為4.2 nm。英國克蘭菲爾德（Cranfield）技術學院所屬（shǔ）的克（kè）蘭菲爾（ěr）德精密工程研（yán）究（jiū）所（簡稱CUPE）是當今世界上精密工程的研究中心之一（yī），是英（yīng）國（guó）超精密加（jiā）工技術水平（píng）的獨特代表。其生產（chǎn）的Nanocentre（納米加（jiā）工中心）既可以進行超精密車削，也可以進行超（chāo）精密磨削，加工工件的形狀精度為0.1 nm，表麵粗糙度小於10nm。模塊化、構建化是超精密機床進（jìn）入市場的重要技術手段，如美國ANORAD公司生產各（gè）種主軸、導軌和轉台，用戶可根據各自的需要組成一維、二維和多維超精密運動（dòng）控製（zhì）平台和機床。超（chāo）精密機床往往與（yǔ）傳統機床在結構（gòu）布局上有很大差別，流行的（de）布局方式是“T”型布局，這（zhè）種布局使機床整（zhěng）體（tǐ）剛度較高，控製也（yě）相對容易，如（rú）Pneumo公司生產的大部分超精密車床都采用這一布局。模塊化使機床布局更加靈活多變，如日本超矽晶體研究株式（shì）會社（shè）研製的超精密磨（mó）床，用於磨削超大矽晶片，采用三角菱形五麵體結構，用於提高剛度；德國蔡司公司研（yán）製了4軸AS100精密磨床，用於加工自由形成表麵，該機床除了X、Z和C軸（zhóu）外，附加了A軸，用於加工自由表（biǎo）麵時控製砂（shā）輪的切削點。

　　5矽晶片（piàn）加工方法的發（fā）展趨勢

　　（1）雙麵研磨和采用杯（bēi）形砂輪的回轉磨削可（kě）進一步提高矽晶片的表麵質量（liàng），是未來矽晶片超 精密加工很有競（jìng）爭力的技術；（2）在磨削過程中，通過控製刀具相對於工（gōng）件的位置（zhì）和刀具主軸的（de）自動調整來獲得理想的加工表麵，實現以磨代拋；（3）為進（jìn）一步提（tí）高矽晶片的表（biǎo）麵質量，大摩擦係數的化學機械拋光有（yǒu）可能得到應用；（4）對於大尺寸的矽晶片，如果（guǒ）利用固定金剛石刀具進行塑性區域加工，可（kě）提高加工精度，減小亞表麵（miàn）的損傷，減小拋光量，提高加（jiā）工效率；（5）用超精密切削代替（tì）超（chāo）精密磨削也是超精密技術發展方向之一。