超薄單晶硅片加工檢測技術(shù)的研究進(jìn)展

張立安

（浙江海納半導(dǎo)體有限公司， 浙江 衢州 324300）

1 單晶硅片概述

半導(dǎo)體領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的硅材料己成為集成電路（Integrated Circuit，IC）產(chǎn)業(yè)最重要的基礎(chǔ)功能材料，在民用和軍事工業(yè)中都占有重要的地位。電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展亟需提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，為此，單晶硅片的直徑尺寸越做越大。300 mm 大直徑單晶硅片已在IC 器件中得到了廣泛的應(yīng)用，直徑＞400 mm 的單晶硅片也進(jìn)入了開發(fā)、研究的階段。單晶硅片直徑的增長導(dǎo)致其重量增加、自支撐性變差而更易破碎。因此，需要單晶硅片的厚度也相應(yīng)增加，以提高其機(jī)械強(qiáng)度，如表1 所示。

表1 單晶硅片厚度隨直徑的變化

在單晶硅片上制作器件所需的有效厚度僅為5～10 μm，硅片90%以上的厚度是為了保證其在加工過程中的強(qiáng)度。半導(dǎo)體器件的高集成度和微型化，要求普通IC 芯片的厚度減至100 μm 以下。疊層、3D 等多層封裝技術(shù)也需求厚度在30～100 μm 的超薄硅片[1]。為了減小芯片器件的體積，通常需要在封裝前將硅片減薄[2]。除了在封裝技術(shù)上的不斷革新，對超薄硅片的應(yīng)用和選擇也勢在必行。硅片減薄具有如下優(yōu)點(diǎn)：減小封裝體積、降低熱阻、提高器件電氣性能和熱性能。

目前，已經(jīng)利用超薄硅片已經(jīng)開發(fā)了一系列可伸縮硅集成電路，這種電路在在極度折疊、拉伸、壓縮的情況下仍然可以保持優(yōu)異的電學(xué)性能。利用該特點(diǎn)可應(yīng)用于柔性電子器件、紙樣顯示器、閃存卡、能卡以及醫(yī)療電子等。因此，超超薄單晶硅片必將成為今后研究和發(fā)展的方向。

超薄硅片的加工至今仍然是一個科技難題。目前，一些大公司和研究機(jī)構(gòu)可以在實(shí)驗(yàn)室中獲得厚度為5 μm 超薄硅片，如圖1 所示。但是，如何獲得更大尺寸的超薄硅片，進(jìn)一步量產(chǎn)以達(dá)到商用，尚在研究之中[3]。研究單晶硅片減薄加工技術(shù)中的科技難題具有極高的經(jīng)濟(jì)價值和學(xué)術(shù)意義，其難點(diǎn)主要集中在以下幾個方面。

1）由于硅材料本身的脆性和剛性，使得單晶硅片厚度減薄至100 μm 以下時，易產(chǎn)生變形或破碎。

2）高度的集成化使IC 特征線寬尺寸逐年減小，對單晶硅片的面型精度和表面完整性提出了更高的要求。例如，對于直徑300 mm、厚度100 μm 的超薄硅片要求總厚度變化值＜1 μm，翅曲度＜5 μm，表面粗糙度＜0.01 μm，而且要求硅表面亞表面沒有微裂紋、殘余應(yīng)力與劃痕等損傷和缺陷。

3）缺乏加工經(jīng)驗(yàn)和理論指導(dǎo)，傳統(tǒng)硅片的厚度約為300～800 μm，有足夠的厚度來應(yīng)對減薄過程中對硅片的損傷和內(nèi)應(yīng)力，也具有足夠的剛性讓硅片保持原有的平整狀態(tài)。但是，隨著單晶硅片厚度減小，其機(jī)械強(qiáng)度急劇下降，傳統(tǒng)厚度硅片加工過程中積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以直接使用。

4）硅片被減薄到100 μm 以下時，在宏觀上表現(xiàn)出形態(tài)上的柔軟、剛性差和實(shí)質(zhì)脆弱等物理特性，對后續(xù)工藝過程中夾持、傳遞、流片提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2 硅片的加工方法

加工單晶硅片通常需要經(jīng)過的工藝流程主要包括：晶體生長、整形處理、切片、倒角、研磨、腐蝕、表面處理、雙面拋光、單面拋光、清洗和檢查等。切片過程中有圓切割和線切割兩種方式，切片的關(guān)鍵是盡可能地降低損耗，在硅片表面留下盡可能少的機(jī)械損傷。經(jīng)過切片后的硅片需要通過倒角工藝獲得光滑的邊緣，減小邊緣的中心應(yīng)力。磨片工藝可以消除切片造成的嚴(yán)重?fù)p傷，只留下一些均衡、淺顯的傷痕。而接下來的化學(xué)腐蝕工藝可以更加徹底地去除這些機(jī)械損傷。對腐蝕硅片的表面處理主要包括噴砂和背封等。重?fù)诫s的硅片通常需要經(jīng)過化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝在其背面淀積一層薄膜，以阻止摻雜劑的擴(kuò)散。硅片經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光后可得到光滑、平整、無任何損傷的表面。但拋光硅片表面有大量的沾污物，需通過清洗去除。單晶硅片的檢查過程主要關(guān)注的參數(shù)是電阻率、翹曲度、總厚度超差和平整度等。

3 硅片的減薄方法

國內(nèi)外圍繞超薄硅片的加工展開了一系列的研究。目前制備超薄單晶硅材料的方法主要有多孔硅層轉(zhuǎn)移法、絕緣層上硅外延法、離子注入剝離法以及減薄法[4]。多孔硅層轉(zhuǎn)移法多用來制備超薄晶硅太陽電池領(lǐng)域。絕緣層上硅外延法技術(shù)則是制備體單晶硅—絕緣層—單晶硅的三層結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于集成電路。離子注入剝離法通常需將高能離子束注入到單晶硅棒的特定深度，再通過剝離過程，獲得20～150 μm厚度的硅片。相比于上述三種方法，將常規(guī)厚度的硅片采用減薄的方式來制備超薄硅片，具有操作簡單、對設(shè)備和工藝的要求低等優(yōu)點(diǎn)，是目前為止工業(yè)界較為可行且經(jīng)濟(jì)的方法。

目前國內(nèi)外很少有研究者針對單晶硅片的減薄技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的報道和研究。其減薄技術(shù)和理論仍然借鑒于IC 工藝中的減薄技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。德國最早開始采用磨削方法加工減薄硅片。目前，對單晶硅片的減薄可以分為化學(xué)及機(jī)械結(jié)合法、濕法腐蝕和干法腐蝕三種。由于目前干法腐蝕裝置還存在裝置昂貴、等離子密度不均勻等問題，因而在實(shí)際的硅片減薄中還不能得到較好的應(yīng)用。下面對化學(xué)及機(jī)械結(jié)合法和濕法腐蝕進(jìn)行簡單介紹。

1）化學(xué)及機(jī)械結(jié)合法。在機(jī)械及化學(xué)結(jié)合法中，磨削加工和研磨加工的效率較高、成本也相對較低，但加工過程中較大的機(jī)械應(yīng)力會在硅片表面產(chǎn)生深度達(dá)幾μm 的損傷層，硅片的強(qiáng)度降低，更容易發(fā)生碎片，且磨削表面存在的殘余應(yīng)力導(dǎo)致硅片易發(fā)生翹曲，通常還需后續(xù)的工藝來消除損傷層和殘余應(yīng)力[5]?；瘜W(xué)機(jī)械拋光（CMP）是利用化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械摩擦相結(jié)合的作用去處理材料表面，該方法獲得的硅片表面的損傷很小，但材料去除速率較低。在實(shí)際的硅片減薄中，CMP 通常用于硅拋光片制備中的最后一道工序，用于去除損傷層，使硅片表面平坦化，獲得表面精度高、粗糙程度低和表面損傷小的硅片[6]。

2）濕法腐蝕。濕法腐蝕包括酸腐蝕和堿腐蝕，是通過硅片與腐蝕劑（酸或堿）的化學(xué)反應(yīng)，去除硅片表層材料的過程。濕法腐蝕法的操作簡單、對設(shè)備和工藝的要求低，而且經(jīng)過濕法腐蝕的硅片能較徹底消除表面損傷層、減小翹曲，是目前工業(yè)界最常采用的減薄方法。采用酸腐蝕減薄硅片過程中，需將硅片置于HNO3和HF 的腐蝕液中，硅片表面材料在混合酸液的作用下被連續(xù)去除[7]。堿腐蝕過程通常采用高濃度的堿性溶液（如KOH、NaOH 等）在加熱到90 ℃左右的環(huán)境下，經(jīng)過調(diào)整反應(yīng)時間來制備厚度可控的超薄單晶硅材料[8]。然而，在傳統(tǒng)的濕法化學(xué)腐蝕減薄中存在濃度和溫度分布不均勻性，以及氫氣泡在腐蝕表面粘附的嚴(yán)重問題，導(dǎo)致腐蝕速度不均勻及其腐蝕后表面質(zhì)量嚴(yán)重下降。

4 硅片減薄后的表面質(zhì)量及影響因素

理解減薄硅片表面損傷層的結(jié)構(gòu)以及殘余應(yīng)力的分布，對減薄硅片的質(zhì)量控制至關(guān)重要[9]。硅片機(jī)械減薄是一種物理性損傷工藝，硅片經(jīng)過機(jī)械研磨工藝，硅片表面存在著多層結(jié)構(gòu)的損傷層。損傷層破壞了硅片晶體規(guī)整有序的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致硅片強(qiáng)度下降、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低、碎片率增加。研磨加工的硅片表面存在較大的損傷層和殘余應(yīng)力，這些缺陷將嚴(yán)重影響硅片的最小減薄厚度，還需要后續(xù)工藝，如化學(xué)機(jī)械拋光、濕法腐蝕等去除研磨引起的損傷層和殘余應(yīng)力，以防止超薄碎片發(fā)生破碎。

在化學(xué)腐蝕制備超薄硅片過程中，隨著硅晶片的減薄，硅晶片表面的損傷層、內(nèi)應(yīng)力、近表層缺陷及體內(nèi)缺陷分布情況將發(fā)生變化。酸腐蝕減薄硅片的效率高、加工硅片的表面粗糙度小、亞表面沒有晶格崎變、位錯和殘余應(yīng)力等損傷，能極大地提高硅片的強(qiáng)度，減少翅曲，但其缺點(diǎn)是對硅片面型的校正能力弱，不適合加工有凸起的硅片，腐蝕速度難以控制。

5 減薄硅片表面缺陷的檢測方法

表面殘余應(yīng)力的檢測與分布規(guī)律可以通過拉曼光譜方法來實(shí)現(xiàn)。單晶硅片表面表面損傷檢測方式主要包括透視電鏡顯微觀察、角度截面顯微觀測以及拉曼光譜分析等。采用角度截面顯微觀測的方法可檢測亞表面的損傷程度，基本原理和檢測樣品如圖2 所示。

該方法主要通過以下幾個步驟實(shí)施：切割待檢測樣品使之能夠與拋光好的樣品粘結(jié)在一起，通過小角度（β）夾具對樣品進(jìn)行研磨拋光，然后得到角度截面；采用HF 等溶液腐蝕角度截面，使樣品截面的損傷情況顯示出來；采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡等高分辨率儀器測量樣品角度截面上的損傷長度L，然后通過公式Hd=L×sinβ 轉(zhuǎn)換得到磨削的亞表面深度Hd。通過所述方法能夠定性定量檢測硅片表面與亞表面的損傷情況，如塑性變形、裂紋分布及深度等，分析磨削工藝參數(shù)的作用規(guī)律與材料去除機(jī)理。

采用X 射線光電子能譜（XPS）分析磨削表面的化學(xué)成分，通過全掃描圖譜確定表層的全部化學(xué)元素組成，窄掃描圖譜擬合分析確定化學(xué)態(tài)和結(jié)構(gòu)。采用XPS 半定量分析技術(shù)分析磨削表面不同原子的相對濃度，濃度計算公式為：

式中：n 為檢測樣品表面的原子數(shù)量；I 為XPS 的波峰強(qiáng)度，通過峰面積進(jìn)行計算；σ 為相對元素的相應(yīng)能級的電離截面，取Scofield 計算的數(shù)據(jù)，C1s=1.00，O1s=2.93，Si2p=0.817，Ek為光電子動能，Ek=hv-BE（Al Kα,hv=1 486.6 eV）。

6 結(jié)論

本文介紹了單晶硅片的減薄方法、減薄硅片的表面質(zhì)量以及表面損傷層的表征方法。雖然近年來單晶硅片的減薄技術(shù)快速發(fā)展，但是仍面臨著很多尚未解決的問題。例如，減薄的工藝參數(shù)變化對表面材料去除率、材料去除非均勻性和表面質(zhì)量的影響等實(shí)際問題仍未完全解釋清楚，機(jī)械和化學(xué)減薄的去除機(jī)理仍有待進(jìn)一步的研究和分析。同時，國內(nèi)外各設(shè)備廠商仍然需要研制更為先進(jìn)的加工設(shè)備，以滿足先進(jìn)集成電路對超薄硅片表面質(zhì)量的要求。