大尺寸單晶硅片加工技術(shù)簡(jiǎn)介

康仁科

(大連理工大學(xué), 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024)

大連理工大學(xué)高性能精密制造創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建于1997年，獲2019年國家科技進(jìn)步創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)。團(tuán)隊(duì)面向國家重大需求，聚焦高端裝備和產(chǎn)品制造，瞄準(zhǔn)國際一流水平和制造學(xué)科發(fā)展前沿，長(zhǎng)期致力于高性能精密制造的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵工藝技術(shù)研究，攻克了一批高端和重大裝備的關(guān)鍵核心技術(shù)難題，研究出系列加工工藝與裝備，廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工和能源動(dòng)力等領(lǐng)域，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有中國工程院院士1人、中國科學(xué)院院士1人、973首席科學(xué)家2人、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者3人、教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授4人、國家“萬人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才2人、科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才2人、優(yōu)青2人、青年長(zhǎng)江學(xué)者2人，先后入選教育部科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)主持和完成了973計(jì)劃項(xiàng)目/課題、863計(jì)劃項(xiàng)目、國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重大/重點(diǎn)項(xiàng)目、國防預(yù)研等一批國家級(jí)重大、重點(diǎn)項(xiàng)目和重大橫向課題，先后獲得國家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3項(xiàng)、國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)多項(xiàng)。近10年來，出版著作3部，發(fā)表SCI論文326篇，授權(quán)發(fā)明專利257項(xiàng)，培養(yǎng)研究生897人。

硅元素在地殼中的含量?jī)H次于氫元素和氧元素，其主要以化合物的形式廣泛存在于自然界中。在20世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)硅的半導(dǎo)體性質(zhì)后，硅材料即作為基礎(chǔ)性材料被陸續(xù)用于晶體管和集成電路(integrated circuit，IC)等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中。由于硅的儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，使其在半導(dǎo)體材料中居于極為重要的地位，并隨著科技進(jìn)步而蓬勃發(fā)展。

隨著集成電路規(guī)模的不斷擴(kuò)大，硅材料已經(jīng)成為其制造中應(yīng)用最廣的一種半導(dǎo)體材料，而半導(dǎo)體材料是制作半導(dǎo)體元件的核心，是芯片和電子設(shè)備制造工業(yè)的基礎(chǔ)。目前，全球95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路采用單晶硅作為襯底材料。集成電路產(chǎn)業(yè)已成為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，作為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)與信息社會(huì)建設(shè)的重要基石，其重要性不言而喻，而作為其襯底材料的單晶硅的重要性也隨之凸顯。

半導(dǎo)體單晶硅片的加工技術(shù)涵蓋了從硅材料到成品硅片的所有工藝流程，在整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮著極為重要的作用。

1 單晶硅片的材料特性與加工要求

1.1 單晶硅的材料特性

單晶硅中，原子以共價(jià)鍵形式結(jié)合，鍵能大，結(jié)合能力強(qiáng)。硅原子的四周雜化軌道及共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)決定了單晶硅結(jié)構(gòu)為金剛石Ⅳ型四面體結(jié)構(gòu)。

單晶硅莫氏硬度達(dá)6.5，在常溫下無延展性。在950～1 400 ℃溫度范圍內(nèi)，單晶硅的抗拉強(qiáng)度由3.5×108Pa下降到1.0×108Pa。單晶硅的抗拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于抗剪應(yīng)力，所以單晶硅容易發(fā)生碎裂，屬典型的硬脆難加工材料。

1.2 IC用單晶硅片對(duì)加工的要求

隨著IC產(chǎn)業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大和制備工藝技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)硅片襯底的純度、幾何尺寸、加工精度、表面粗糙度、亞表面損傷等的要求越來越高。半導(dǎo)體制造用的大尺寸硅片面臨的主要技術(shù)難題是高純度、高表面平整度、高光滑度與高潔凈度。如半導(dǎo)體級(jí)單晶硅純度要求達(dá)到99.999 999 9%，硅片尺寸越大，單晶硅生長(zhǎng)時(shí)的純度控制越難。《國際半導(dǎo)體技術(shù)路線指南》中對(duì)硅片尺寸和加工精度等方面的要求包括：對(duì)用于線寬50 nm集成電路的300 mm直徑單晶硅片，直徑為300±0.2 mm，厚度為775±25 μm，翹曲度<10 μm，總厚度偏差(total thickness variation，TTV)<0.1 μm，局部平整度(site flatness front least square range，SFQR)≤51 μm，邊緣扣除距離為2 mm，表面顆粒尺寸≤90 nm，表面顆粒數(shù)量≤0.09個(gè)/cm2，表面金屬(原子個(gè)數(shù)/cm2)<6.8×109，硅片具有超平整、超光滑和近無損傷的表面。制備更小線寬的IC硅片的要求更高。

2 大尺寸單晶硅片的加工流程

針對(duì)IC用單晶硅片的要求，以直徑為300 mm的硅片為例，從硅材料生長(zhǎng)開始，制備拋光硅片所需主要工藝流程包括：晶體生長(zhǎng)、整形處理、切片、倒角、磨削、腐蝕、表面處理、雙面拋光、單面拋光、激光刻碼、清洗。

(1)晶體生長(zhǎng)

首先將硅砂提煉為純度約98%的冶金級(jí)粗硅，再經(jīng)過多次提純，得到電子級(jí)高純度多晶硅，經(jīng)過熔爐煉制的硅錠，純度可達(dá)99.999 999 9%以上。現(xiàn)階段已經(jīng)形成規(guī)模生產(chǎn)的晶體生長(zhǎng)方法有2種，即直拉法(CZ法)和區(qū)熔法(FZ法)。先進(jìn)的硅單晶拉制技術(shù)是在直拉爐中增加超導(dǎo)水平磁場(chǎng)裝置，施加的磁場(chǎng)可以抑制多晶硅液面波動(dòng)，使得單晶爐內(nèi)液面非常平穩(wěn)，可以有效提高制備的單晶硅晶體性能和晶體均勻性。

(2)整形處理

整形處理用于將硅錠加工成特定外形的硅棒，包括切割分段、外圓滾磨和定位面磨削等工序。切割分段用于切除硅錠中直徑、電阻率和完整性不符合規(guī)格要求的部分；外圓滾磨用于去除硅錠表面的毛刺，并將硅錠磨削到所要求的直徑；定位面磨削用于加工定位用的定位面(用于直徑不超過150 mm的硅片)或V形槽(用于直徑為200 mm和300 mm的硅片)。傳統(tǒng)的硅錠加工成硅棒通常是先去除硅錠的前端和后端部分，再將硅錠截?cái)喾侄芜M(jìn)行滾磨整形，而目前的發(fā)展趨勢(shì)是先將整個(gè)硅錠滾磨到標(biāo)準(zhǔn)直徑，再截?cái)喑尚《吻衅?。硅錠整體滾磨成硅棒只需要進(jìn)行1次對(duì)齊，然后再進(jìn)行截?cái)?，因此可以顯著減小截?cái)嗪蟾鱾€(gè)獨(dú)立小段的晶向偏差，進(jìn)而提高精度、減少材料浪費(fèi)。

(3)切片

切片是將硅棒切割成一定厚度的硅片。常用的有內(nèi)圓切割和線切割2種切片形式。對(duì)于直徑不大于150 mm的硅片，采用帶有金剛石切割邊緣的內(nèi)圓切割機(jī)來完成切片；對(duì)于直徑為200 mm及以上的硅片，通常采用線切割系統(tǒng)來完成切片。半導(dǎo)體硅的線切割切片技術(shù)由最初的砂漿線切割，發(fā)展到目前的固結(jié)磨料金剛石線切割技術(shù)。山東大學(xué)葛培琪教授團(tuán)隊(duì)開展了大量的單晶硅金剛石線鋸切片加工理論和技術(shù)研究工作，開發(fā)了專用裝備，取得了系列研究成果。

(4)倒角

倒角用于消除硅片邊緣棱角、崩邊、裂紋和各種邊緣缺陷，從而降低硅片邊緣表面粗糙度，提高硅片的機(jī)械強(qiáng)度?，F(xiàn)有的硅片倒角技術(shù)主要是采用碗口型砂輪對(duì)硅片進(jìn)行成型倒角，現(xiàn)在陸續(xù)發(fā)展出了采用數(shù)控機(jī)床控制V型雙仿形砂輪的倒角加工方法，由于雙仿形砂輪是由數(shù)控系統(tǒng)控制，可自由設(shè)定上下倒角寬度、角度，即使倒角形狀發(fā)生變化也無須更換砂輪。這代表了硅片倒角技術(shù)的發(fā)展方向。

(5)研磨/磨削

研磨/磨削加工用于切割硅片的平整化加工，去除切片過程在硅片表面形成的深度為20～50 μm的表面鋸痕、起伏、應(yīng)力損傷層等，獲得高平面度的硅片表面。對(duì)于硅片的平整化加工，直徑不大于200 mm的硅片多采用雙面研磨技術(shù)，直徑為300 mm及以上的硅片多采用超精密磨削技術(shù)。大連理工大學(xué)高性能精密制造創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)開展了直徑為300 mm硅片的超精密磨削理論與技術(shù)研究，開發(fā)了硅片加工變形評(píng)價(jià)技術(shù)和設(shè)備，研制出國內(nèi)首臺(tái)直徑為300 mm的硅片全自動(dòng)超精密磨床和系列金剛石砂輪。

(6)腐蝕

腐蝕用于去除切片、研磨等機(jī)械加工在硅片表面產(chǎn)生的損傷層和表面污染。大尺寸硅片的腐蝕一般采用酸腐蝕工藝，現(xiàn)在也陸續(xù)應(yīng)用了堿腐蝕+酸腐蝕的復(fù)合腐蝕方式，該復(fù)合腐蝕方式在重?fù)诫s的硅片上效果顯著，應(yīng)用越來越廣泛。隨著磨削技術(shù)的不斷完善及成熟，硅片在磨削之后可直接進(jìn)行拋光加工。

(7)表面處理

硅片的表面處理主要有硅片表面的熱處理(包括常溫退火熱處理和高溫快速退火熱處理)、硅片背面的增強(qiáng)吸附處理、硅片背面的化學(xué)氣相沉積處理。

(8)拋光

拋光用于去除前工序(切片和研磨/磨削)所殘留的微缺陷及表面應(yīng)力損傷層和去除表面的各種金屬離子等雜質(zhì)污染層，以獲得表面平整、表面粗糙度極低的潔凈硅片表面。對(duì)于直徑不大于200 mm的硅片表面，常采用單面拋光技術(shù)；對(duì)于直徑300 mm及以上的硅片表面，其粗、中拋光采用雙面拋光技術(shù)，而精密拋光和最終拋光則采用單面拋光技術(shù)。清華大學(xué)路新春教授團(tuán)隊(duì)為推動(dòng)我國化學(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polishing，CMP)技術(shù)和設(shè)備產(chǎn)業(yè)化成立了華海清科股份有限公司，開展CMP設(shè)備和工藝及配套耗材的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售與服務(wù)，用于極大規(guī)模集成電路制造、封裝、微機(jī)電系統(tǒng)制造、晶圓平坦化、基片制造等領(lǐng)域。

(9)激光刻碼

激光刻碼是依據(jù)客戶需求，用激光在硅片表面靠近邊緣的部位刻出產(chǎn)品型號(hào)、批號(hào)或規(guī)格等信息，方便客戶進(jìn)一步加工和交流。

(10)清洗

清洗用于清除不同工序加工后硅片表面存在的各種污染(包括表面的微粒、金屬離子及有機(jī)污染物等)。傳統(tǒng)的清洗方式是將多片硅片浸沒在清洗槽中，采用大量化學(xué)清洗試劑集中進(jìn)行清洗，而目前硅片清洗技術(shù)朝著單片化，清洗化學(xué)試劑簡(jiǎn)單化方向發(fā)展。

3 大尺寸單晶硅片加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

半導(dǎo)體微電子產(chǎn)品不斷向高速化、高集成化、高密度化和高性能化方向發(fā)展，促進(jìn)了集成電路制造技術(shù)的飛速發(fā)展。硅片尺寸和工藝制程共同驅(qū)動(dòng)著集成電路制造技術(shù)進(jìn)步，兩者并行發(fā)展，每個(gè)制程階段都與硅片尺寸相對(duì)應(yīng)。一方面，為了提高IC的集成度，特征線寬越來越細(xì)，芯片上的晶體管密度不斷增加，增加的規(guī)律遵循摩爾定律；另一方面，為了滿足急劇增長(zhǎng)的IC市場(chǎng)需求，增加芯片產(chǎn)量，降低單元制造成本，所用的硅片趨向大直徑化。

硅片直徑越大意味著有更大的表面積來做芯片。根據(jù)規(guī)模經(jīng)濟(jì)學(xué)，增大硅片直徑可減少每塊芯片的加工和處理時(shí)間，提高設(shè)備生產(chǎn)效率，同時(shí)在同一工藝過程中可產(chǎn)出更多的芯片。對(duì)直徑為300 mm的硅片來說，其面積比直徑為200 mm的硅片多1.25倍，直徑為200 mm的硅片大概能生產(chǎn)出88塊芯片，而直徑為300 mm的硅片則能生產(chǎn)出232塊芯片。此外，硅片直徑增大后，可以減少邊緣芯片，使得芯片出片率明顯提高。

隨著直徑為450 mm的硅片生產(chǎn)技術(shù)逐漸發(fā)展，其市場(chǎng)化進(jìn)程加速，硅片直徑將從300 mm朝著450 mm過渡。實(shí)際上，對(duì)于全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，直徑為450 mm的硅片仍然是一個(gè)懸而未決的課題。因此，未來幾年先進(jìn)制程芯片預(yù)計(jì)持續(xù)采用直徑為300 mm的硅片，與之相關(guān)的硅片加工技術(shù)也將主要圍繞直徑為300 mm的硅片展開。

4 本期論文點(diǎn)評(píng)

《半導(dǎo)體硅片制備技術(shù)及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀》

閆志瑞, 等; 第5頁

半導(dǎo)體硅片是集成電路產(chǎn)業(yè)中極為重要的基礎(chǔ)材料，硅片基本理論的介紹和全球硅片市場(chǎng)現(xiàn)狀與格局的分析對(duì)我國半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有極為重要的意義。

論文較為系統(tǒng)地介紹了硅片的制備技術(shù)及相關(guān)理論，詳細(xì)分析了12 英寸(304.8 mm)硅片的國內(nèi)外市場(chǎng)，探討了我國在發(fā)展硅片方面面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，對(duì)于了解硅片的制備技術(shù)與理論及其國內(nèi)外市場(chǎng)現(xiàn)狀具有參考價(jià)值，有助于國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)了解市場(chǎng)和規(guī)劃發(fā)展。

在集成電路產(chǎn)業(yè)成為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的大背景下，建議作者及廣大從業(yè)者結(jié)合國家發(fā)展規(guī)劃，抓住發(fā)展機(jī)遇，推動(dòng)我國硅片半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)積極健康發(fā)展。

《單晶硅切片加工技術(shù)研究進(jìn)展》

葛培琪, 等; 第12頁

單晶硅切片加工在集成電路產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，對(duì)單晶硅切片加工技術(shù)的分類及其加工特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和探討有助于了解該技術(shù)的研究進(jìn)展、發(fā)展趨勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。

作者廣泛調(diào)研了單晶硅切片加工技術(shù)背景、意義以及國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展的研究工作，對(duì)單晶硅切割加工技術(shù)分類，金剛石線鋸切片加工過程、加工裂紋損傷及其抑制措施進(jìn)行了綜述。這些工作對(duì)于深入理解單晶硅切片加工技術(shù)和研究切片加工理論具有非常重要的借鑒價(jià)值。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，建議作者及相關(guān)學(xué)者關(guān)注超薄硅片的精密鋸切技術(shù)，以及精密鋸切技術(shù)在SiC、GaN等下一代半導(dǎo)體材料中的應(yīng)用。

《陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪組織結(jié)構(gòu)對(duì)其性能影響研究》

丁玉龍, 等; 第19頁

硅片是集成電路制造的關(guān)鍵材料，陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的超精密磨削是硅片加工制造過程中極為重要的環(huán)節(jié)。開展陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其對(duì)硅片超精密磨削加工效果影響的研究，對(duì)于開發(fā)高端砂輪、發(fā)展硅片超精密磨削技術(shù)和研究超精密磨削理論意義重大。

作者設(shè)計(jì)并制備了3種組織結(jié)構(gòu)的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪，對(duì)3種砂輪的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征并對(duì)砂輪的機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)試。作者通過觀測(cè)3種砂輪在實(shí)際硅片磨削加工中的主軸電流變化、砂輪磨損情況和磨削后的硅片表面形貌來分析和研究砂輪的磨削性能，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析得出了最優(yōu)砂輪組織配方。該試驗(yàn)結(jié)果對(duì)砂輪制造企業(yè)和相關(guān)工程技術(shù)人員具有借鑒和指導(dǎo)意義。

但從整體來看，作者設(shè)計(jì)的砂輪組織配方種類較少，對(duì)應(yīng)開展的試驗(yàn)次數(shù)也相對(duì)較少，因此建議作者在以往研究基礎(chǔ)上繼續(xù)開展砂輪組分及其對(duì)硅片超精密磨削性能影響的研究，以形成連貫的、成體系的完整研究路線。

《硅片化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的研究進(jìn)展》

徐嘉慧, 等; 第24頁

化學(xué)機(jī)械拋光是目前唯一實(shí)現(xiàn)硅片全局平坦化的工藝技術(shù)，所加工表面具有納米級(jí)面形精度和亞納米級(jí)表面粗糙度，且無表面和亞表面損傷，是集成電路制造過程中重要的工藝之一。針對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)，國內(nèi)外研究學(xué)者進(jìn)行了長(zhǎng)期的、大量的研究，綜述硅片的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)研究進(jìn)展，對(duì)于研究硅片化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的原理、開發(fā)相關(guān)的設(shè)備和工藝具有重要意義。

作者對(duì)影響硅片化學(xué)機(jī)械拋光性能的因素(如拋光液、拋光墊和拋光壓力等)以及目前先進(jìn)拋光設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)綜述，為相關(guān)研究人員和工程技術(shù)人員了解本行業(yè)提供了參考。

CMP技術(shù)與集成電路制造技術(shù)是互相促進(jìn)的，建議作者及從業(yè)者緊跟新一代半導(dǎo)體的材料、結(jié)構(gòu)、加工要求，對(duì)CMP技術(shù)提出的新挑戰(zhàn)潛心研究，實(shí)現(xiàn)我國CMP技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展，縮小同國際先進(jìn)技術(shù)水平的差距。