硅片的表面抛光

硅片的表面抛光

硅片表面抛光是半导体制造中的一项关键工艺，旨在通过去除硅片表面的微缺陷、应力损伤层以及金属离子等杂质污染，达到极高的表面平整度和粗糙度要求，从而满足微电子（IC）器件的制备需求。

本文对其进行简单介绍，分述如下

• 硅片的表面抛光加工工艺

• 粗抛光——无蜡与有蜡贴片抛光

•  硅片表面的细抛光

•  硅片表面的最终抛光

为确保抛光精度，硅片抛光工艺可分为两步、三步甚至是四步抛光。这些步骤中，每一步所使用的抛光工艺条件（如压力、抛光液组分、粒度、浓度、pH值、抛光布材质、结构、硬度、抛光温度及加工量等）均有所不同。

硅片抛光的一般阶段包括：

粗抛光：去除硅片表面由前加工工序残留的机械损伤应力层，达到要求的几何尺寸加工精度。粗抛光加工量一般大于15-20μm。

细抛光：进一步降低硅片表面的局部平整度和粗糙度，确保硅片表面质量。细抛光加工量约为5~8μm。

“去雾”精抛光：去除硅片表面的微小瑕疵，提高表面纳米形貌特性。精抛光加工量约为1μm。

最终抛光：对于线宽要求极高的IC芯片工艺，如小于0.13μm至28nm的芯片，硅片在细抛光和“去雾”精抛光后，还需进行一次最终抛光，以确保硅片表面具有极高的机械加工精度和表面纳米形貌特性。

需要注意的是，硅片表面的化学机械抛光（CMP）与IC制备工艺中晶片表面的平坦化CMP技术是两种不同的抛光加工技术。尽管两者都采用了化学和机械相结合的方式进行抛光，但它们的工艺条件、目的和应用场景有所不同。

下表（仅供参考）详细列出了硅片表面抛光与晶片表面平坦化CMP技术的区别。

无蜡贴片单面抛光技术

依靠真空吸附、表面张力或其他机制，将硅片紧密贴合在载体板（如陶瓷板）上进行抛光。美国Rodel公司的无蜡衬板（IPTA或template）和软性无蜡衬垫（INSERT）是此技术的代表产品。这些产品利用湿润衬垫表面的水张力，使硅片被紧紧吸附在衬垫上。

在无蜡抛光中，正确选择和使用无蜡衬板及衬垫至关重要。这些组件的选择直接影响抛光加工的精度。许多公司已投入大量资源进行开发与研究，以提高无蜡抛光的精度。

无蜡抛光技术能避免蜡的有机物污染，简化抛光硅片的化学清洗过程。然而，其挑战在于难以达到极低的总厚度偏差（TTV）和局部平整度（STIR或SFQR）。通过工艺调整，无蜡抛光仍能达到一定的加工精度。

有蜡贴片单面抛光技术

通过蜡膜将硅片与载体板紧密粘贴在一起进行抛光。蜡的形式多样，包括固体、液体和水溶性等。蜡的种类、杂质含量、物理特性，以及蜡膜厚度和均匀性、涂蜡环境的洁净度等因素，均直接影响抛光加工的精度。

在有蜡抛光中，涂蜡工艺是关键。这包括涂刷、离心、喷雾等方法，且应在洁净室内进行（至少不低于100级）。蜡膜厚度应适中且均匀，一般约为1.5微米。

许多公司已对有蜡抛光中的蜡的选择、载体板表面精度的控制和清洁处理进行了深入研究。日本NIKKA SEIKO（日化精工）公司的液体蜡和去蜡清洗溶剂等产品在此领域占有较大市场份额。

有蜡贴片的质量直接影响硅片的最终加工质量。因此，在洁净室内（至少100级）使用所选的有蜡贴片系统，是确保高质量的关键工艺环节。例如，在“10”级净化区内，采用离心甩蜡和“分段变速甩蜡”工艺，可以确保蜡膜厚度均匀、平坦。

无蜡和有蜡贴片抛光技术各有优缺点。无蜡抛光技术简单且能避免有机物污染，但有精度限制；而有蜡抛光技术虽然工艺复杂，但能达到更高的加工精度。选择哪种技术取决于具体的加工要求和条件。

在第一部分中已经提到细抛光是硅片加工过程中的关键步骤，旨在确保硅片表面达到极低的局部平整度和表面粗糙度，同时减少金属离子等杂质污染。随着半导体产业的快速发展，IC芯片的特征尺寸线宽不断缩小，对硅片表面的机械加工质量、几何尺寸精度和表面精度的要求也变得更加严格。

对于大直径硅片（如200mm和300mm），细抛光通常在高于10000级洁净度的环境中进行（对于300mm硅片，加工区域的环境洁净度需高于1000级）。细抛光的去除加工量通常控制在5~8微米以内，以确保硅片表面的高质量。

为了满足IC芯片电路的特征尺寸线宽要求，大直径硅片一般采用双面抛光工艺，包括粗抛光和细抛光两步。尽管硅抛光片的加工工艺流程在近二十多年来变化不大，但对硅片表面质量的要求却日益严格。

为了适应我国半导体产业的发展，满足市场对高质量硅抛光片的需求，我们可以结合实际情况，制定出一套适用于线宽28~40nm IC芯片电路的直径300mm硅单晶抛光和外延片项目的生产工艺流程。这个流程应包括从硅片制备到细抛光的所有关键步骤，并确保每个步骤都在适当的洁净度和工艺参数下进行。

在细抛光过程中，抛光布的材质、硬度及结构，以及抛光液的成分（粒度、pH值）和抛光工艺参数（抛光压力、抛光液pH值及流量、转速、抛光温度等）的优化设置对硅片表面质量具有重要影响。因此，许多供应商都在这些方面进行了大量的开发和研究工作。

此外，全自动表面抛光系统的应用也是提高硅片表面质量的关键因素之一。这些系统能够精确控制抛光过程中的各项参数，确保硅片表面达到所需的加工质量。对于直径200mm和300mm的硅片，全自动表面抛光系统已成为行业内的标准配置。

细抛光是硅片加工过程中不可或缺的一步。通过优化抛光布、抛光液和抛光工艺参数，结合全自动表面抛光系统的应用，可以确保硅片表面达到极高的质量水平，满足现代IC芯片电路的要求。

为了满足线宽小于0.13μm至28nm的IC芯片电路工艺对直径300mm硅抛光片的高质量要求，进一步减少硅片表面的金属离子等杂质污染，并确保硅片表面具有极高的表面纳米形貌特性，最终抛光（精抛光加工）成为不可或缺的关键步骤。

这一步骤通常采用碱性胶体二氧化硅化学机械抛光技术（CMP），该技术结合了化学腐蚀和机械摩擦的双重作用，能够高效、精确地去除硅片表面的微小不平整和杂质。

然而，传统的CMP技术虽然有效，但所使用的设备价格昂贵，且对于更小的线宽要求，传统的抛光方法可能难以达到所需的精度。因此，业界开始探索新的抛光技术，如数字控制硅片的干化学平坦化等离子体技术（D.C.P等离子体技术）。

D.C.P等离子体技术是一种无接触的加工技术，它利用SF₆（六氟化硫）等离子体对硅片表面进行腐蚀加工，通过精确控制等离子体的腐蚀加工时间和硅片扫描速度等参数，可以实现硅片表面的高精度平坦化。与传统的CMP技术相比，D.C.P技术具有更高的加工精度和稳定性，且能够显著降低抛光加工的运行成本。

在D.C.P加工过程中，需要特别注意以下几个技术问题：

等离子体源的控制：确保SF₆（等离子体的产生及速流的强度、速流斑点直径（速流的聚焦）等参数得到精确控制，以实现硅片表面的均匀腐蚀。

扫描系统的控制精度：硅片X-Y-Z三维方向的扫描系统需要具有极高的控制精度，以确保硅片表面的每个点都能得到精确的加工。

加工工艺研究：需要对D.C.P等离子体技术的加工工艺进行深入的研究和优化，以找到最佳的加工参数和条件。

表面损伤控制：在D.C.P加工过程中，需要严格控制硅片表面的损伤，以避免对后续IC芯片电路的制备产生不良影响。

尽管D.C.P等离子体技术具有诸多优势，但由于它是一种新型的加工工艺技术，目前仍处于研究和开发阶段。因此，在实际应用中需要谨慎对待，并继续进行技术改进和优化。

总的来说，最终抛光是硅片加工过程中的重要环节，它直接关系到IC芯片电路的质量和性能。随着半导体产业的不断发展，对硅片表面的质量要求将越来越高，因此，不断探索和开发新的抛光技术将是未来硅片加工领域的重要研究方向。

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