半导体表面精加工技术研究现状

1、半导体表面精加工技术研究现状 摘要：半导体材料从被发现之初就主要应用于电子信息及光伏产业中，而硅材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等综合优势而成为了当代电子工业和光伏产业中应用最多的半导体材料，本文主要集成电路用硅和太阳能级硅的角度出发，集中讨论硅材料的表面精加工技术的发展现状，国内外在该领域最新的研究成果以及未来的发展趋势。关键字：半导体； 表面精加工； 化学机械抛光A study of the semiconductor surface finishing technology research status Abstract: At the beginning,

2、semiconductor material was found to be mainly used in electronic information and photovoltaic industry. Because of rich resources, the characteristics of high quality, constant progress of technology and comprehensive advantage in a wide range of uses, the silicon material has become the most used s

3、emiconductor material in the modern electronic industry and photovoltaic industry. This paper focuses on the present development situation of silicon surface finishing technology from the perspective of IC silicon and silicon of solar energy level, and the latest research results and future developm

4、ent trend in this field at home and abroad.Key words: semiconductor; Surface finish; Chemical mechanical polishing0 引言第一代半导体材料主要以硅、锗半导体材料为主，20世纪50年代，锗在半导体中占主导地位，主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中，但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代以后逐渐被硅器件所取代。用硅材料制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好。此外，硅由于其含量极其丰富，提纯与结晶方便，二氧化硅薄膜的纯度很高，绝缘性能很好，这使器件的稳定性和可

5、靠性大为提高。因此，硅已成为应用最多的一种半导体材料，半导体95%以上，集成电路的99%都是用硅半导体材料制造的。20世纪九十年代以来，随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料开始崭露头角。第二代半导体材料作为一种性能优良的半导体材料不断向硅提出挑战。砷化镓、磷化铟等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。现在半导体材料已经发展到了第三代，以宽禁带半导体材料为代表，如碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝等等

6、。与第一、二代半导体材料相比，第三带半导体材料具有宽的禁带宽度，高的击穿电场，高的热导率，高的电子饱和速率以及更高的抗辐射能力，因而更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。此外，第三代半导体材料由于具有发光效率高、频率高等特点，从而在一些蓝、绿、紫光的发光二极管、半导体激光器等方面有着广泛的应用。这类宽禁带的半导体材料由于其电子在能带之间的跃迁效率高，并且在跃迁时放出光子的能量高，因此会有较高的光发射效率，光子发射的频率也较高。从目前第三代半导体材料和器件的研究来看，较为成熟的是碳化硅和氮化镓半导体材料，其中碳化硅技术最为成熟，而氧化锌、金刚石和氮化铝等宽禁带半导体材料的研究尚属于起步阶段，

7、相信随着研究的不断深入，其应用前景将十分广阔。半导体材料从被发现之初就主要应用于电子信息及光伏产业中，而半导体硅材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等综合优势而成为了当代电子工业和光伏产业中应用最多的半导体材料，本文主要集成电路的角度出发，集中讨论硅材料的表面精加工技术的发展现状，国内外在该领域最新的研究成果以及未来的发展趋势。1 半导体表面精加工技术的发展现状减薄与抛光技术是晶圆加工过程中必不可少的工序，在集成电路(IC)制造中，已成为与光刻、刻蚀等技术同等重要、且相互依赖的不可缺少的技术。是集成电路进入0.25 m 以下节点，提高生产效率、降低成本的晶圆全局平坦化关键

8、技术。随着微电子技术向32 nm、22 nm 及以下技术节点方向发展，IC 平坦化工艺仍然是集成电路制造中的重要支撑技术。目前，抛光工艺已成功延伸应用到22 nm 节点，在IC 制造工艺中发挥着重要的作用，已经开始向16 nm 节点制造技术的应用延伸。从IC 技术应用领域来看，表面抛光已经从最初层间介质（ILD）平坦化应用，发展到目前集成电路制造前段工艺（FEOL）和后段工艺（BEOL）所有平坦化工艺应用， 如STI、ILD、Tungsten、Cu-wiring 及Metal Gate 等平坦化工艺。另一方面，受集成电路制造节点技术不断缩小带来的瓶颈效应影响，2006 年开始，3D-IC 封装

9、技术应运而生且快速发展，TSV CMP 技术成为一种重要的工艺手段。除此之外，平坦化设备技术的扩展应用领域包括硅片表面的初始晶圆片平坦化、计算机硬盘、照相机镜头、薄膜液晶显示器铟锡导电玻璃(ITO)与彩色滤光片等的抛光，IC、LED、第三代半导体基片精密研磨、抛光等，平板显示器玻璃基体材料抛光以及先进封装背面减薄抛光等（减薄抛光一体机），其产品晶圆需求逐年递增（见图1）。2.1 减薄工艺由图2 工艺流程看出，减薄是成品硅片加工的第一道工序。减薄技术主要有磨削、研磨、干式抛光、电化学腐蚀、湿法腐蚀、等离子辅助化学腐蚀、常压等离子腐蚀等。其中最常用的背面减薄技术有磨削、湿法腐蚀、常压等离子腐蚀和干

10、式抛光等。硅片研磨减薄技术由于运用时间长，技术相对成熟，而且因为高效、低成本的特点而得到广泛运用。硅片的原始厚度一般为675775 m，最终要减薄到100200 m，某些特定产业中，甚至要减薄到20 m。在硅片减薄工艺中一般不能将硅片磨削到很薄的尺寸，因为如果将硅片直接磨削到芯片封装所需的厚度，由于机械损伤层的存在，在运输和后序工艺中碎片率非常高。因此在实际应用中，首先通过背面减薄的方法将晶圆磨削到接近目标厚度，用磨削的方式去除绝大部分余量，然后利用CMP 湿法腐蚀、ADPE 和干式抛光中的一种或两种消除磨削引起的损伤层和残余应力，得到无损伤的晶圆表面。2.2 抛光工艺抛光是以器件获得光滑镜面

11、为目的,利用磨料颗粒和抛光仪器或着另外一些抛光材料对器件表面进行修饰精加工的一种方法。目前,传统的抛光方法仍在广泛应用,包括机械抛光、化学抛光和电解抛光。由于传统的抛光方法技术存在着不同的缺点,这就导致了新型的抛光技术的发展(比如纳米抛光技术和化学机械抛光技术)。在器件的表面精密加工方面,这些技术得到了广泛的应用。半导体器件在经过减薄后表面会存在损伤层,其残余应力会导致减薄后的器件容易因弯曲变形而断裂,从而降低了成品率。由于半导体行业的特殊要求,器件一般都比较昂贵精密,所以在减薄后必须对器件进行抛光,用来去除器件表面损伤层,减小或消除残余应力。这样既节约了成本,又提高了成品率,也为后续工艺提供

12、了良好的条件(比如在制作半导体激光器时使得金属容易键合)。因此抛光技术是半导体器件制造中极其重要的工艺。机械抛光机械抛光主要是在抛光机上进行的机械研磨加工方法。一般抛光机是由一个电动机和一个或两个被带动的抛光盘组成。用不同材料的抛光布辅在抛光盘上。常用的抛光布有帆布、绒布、粗呢、细呢或着丝绸。常用的抛光液通常是AI2O3、Si02或MgO等粉末在水中的悬浮液。样品的待抛面在抛光时应当用适当的压力均匀、平整地压在抛光盘上,一边抛光盘旋转,一边样品在盘的边缘和中心做持续的径向往复运动。这样磨痕就会因为磨面和抛光液的相互磨削滚压作用而消除,最后得到光亮的表面。机械抛光的成本低,操作简单,但是相比其它

13、抛光,其效率低,抛光的表面不均匀,抛光时间难掌握,因此适宜小面积的表面处理。化学抛光化学抛光是用化学试剂作用于样品,对其表层溶解过程。换言之是为了消除磨痕、浸烛整平,用化学试剂对样品表面凹凸不平区域的选择性溶解作用一种方法。化学抛光也有溶解腐烛的作用,可以显示样品的金相组织,所以在经化学抛光后的样品可以直接在显微镜下观察。一般的抛光液是将过氧化氧、次氯酸、氧氟酸、蒸 水等按照要求的比例搭配混合而成的。化学抛光的设备较为简单,容易操作,而且可以对形状比较复杂的器件进行处理,但是化学抛光所用溶液的调整和再生比较困难,在应用上受到限制,而且化学抛光操作过程中,稍酸散发出大量黄棕色有害气体,对环境污染

14、非常严重。电解抛光电解抛光是在特定的电解液和恰当的电流密度下待抛光器件的阳极首先发生溶解的原理进行抛光的一种电解加工。该装置有正极和负极,直流电源的正极与器件相接作为阳极,直流电源的负极与耐电解液腐烛的导电材料相接作为阴极。阳极和阴极不能离得太近,而且需要浸入电解液。通常电解液成分组成包括水、氧化性酸和溶媒。电解液的主要成分是氧化性酸;溶媒是用来冲淡酸液,并溶解在抛光过程中磨面所产生的薄膜。电解抛光之后的器件内外色泽一致,光泽持久,表面抗腐烛性强,并且可以加工硬、软质材料及其形状复杂和细小的零件。其生产效率高,成本低廉,抛光后的表面不会产生变质层,无残余应力,并可改善原有的应力层。但是由于电解

15、抛光在抛光前较为复杂且电解液的强腐烛性不好处理、使用寿命短和通用性较差,其应用范围受到了 一定的限制。纳米抛光纳米抛光即等离子纳米抛光,是在特有的在数控自动化设备中进行的。等离子体即物质的第四态,是使气态粒子部分电离的一种电磁气态放电现象。一般被电离的气体有原子、分子、原子团、离子和电子。电子会在高温高压下脱离原子核,这样原子核就变成了一个带正电的离子,等离子态就是这些离子的集合。等离子态有着很大的能量,当待抛光的器件和等离子和摩擦时,瞬时会使器件表面达到光滑亮泽的效果。由于纳米抛光抛光液所用的氧化物硬度强,粒径小,所以抛光时不会产生划痕,与其它方法比较抛光效果更好。抛光后的器件表面既光亮美观

16、又色泽鲜艳持久,而且起到清洁器件与磨具的作用防止器件的锈烛。同时能软化器件表面这样就可以加速磨削，减少磨具对器件的冲击,进而改善了器件条件。但由于纳米抛光是新兴的一种抛光方式,还有很多问题需要解决。化学机械抛光不同于传统的机械抛光和化学抛光,化学机械抛光CMP(Chemical Mechanical-Polishing) 是依靠抛光液中磨粒的机械研磨作用和氧化剂的化学腐蚀作用,完成对器件表面的精密平坦化,进而克服了由单一机械抛光和化学抛光造成的表面损伤、抛光速度慢、表面粗糖度和厚度一致性差的缺点。现今，硅的表面的精加工主要采用化学机械抛光，如图3。它的原理是粘在抛光机上盘的加工表面与抛光机下盘

17、浸有抛光液的多孔抛光布吸附的抛光液中的氧化剂、催化剂等物质在设定温度下反应温度由反应放出热、冷却水、摩擦热等因素决定无上下盘高速反向运转，抛光液连续流动，加工表面的反应物被不断的剥离，新抛光液补充进来，反应产物随抛光液带走，新裸露的被加工表面又被氧化，产物再被剥离下来而循环反复。其中既有化学作用又有机械作用，它实际上是磨粒磨损下的电化学腐蚀过程。该方法是实现单晶硅片全局平面化的技术,采用该方法可使整个硅片获得超光滑和无损伤的表面。图3 CMP示意图3 化学机械抛光的发展及应用化学机械抛光(CMP)是化学作用和机械磨削作用组合的加工技术。化学机械抛光是目前较少的几种能够实现大尺寸硅片局部和全局平

18、坦化的方法之一,它的可贵之处在于它在多层金属互连结构中既可对绝缘体又可对导体、阻挡层进行全局平面化,已被越来越广泛地应用到半导体领域。在集成电路制造中,化学机械抛光技术在单晶硅衬底和多层金属互连结构的层间全局平坦化方面得到了广泛应用,是超大规模集成电路(VLSI)和大规模集成电路(ULSI)不可替代的层间平坦化方法,成为制造主流芯片的超光滑无损伤表面的关键技术之一。化学机械抛光自1965年提出,经过几十年的发展,已成为一个较为成熟的表面抛光技术体系,在传统化学机械抛光的基础上发展起来用于大尺寸硅片加工的新加工技术主要有双面化学机械抛光(Double Side Polishing , DSP)、

19、固结磨料化学机械抛光(Fixed Abrasives CMP,FA-CMP)、无磨料化学机械抛光(Abrasive-Free CMP)等技术。19世纪60年代Monsanto首次提出了化学机械抛光技术的概念。之后CMP技术一直被用在加工高级的光学玻璃上,比如显微镜,军用望远镜等。19世纪80年代CMP技术首次由IBM用到制造4M DRAM中,一直发展到制造64M DRAM中。从那以后,在全球CMP技术得到了迅速的发展。CMP是运用了 “以柔克刚的原理”,也就是说抛光所用的材料材质较软,用这样的材料达到对器件高质量的表面抛光。与研磨相似,抛光也需要压力,待抛器件是在压力和抛光液共同作用下于抛光垫

20、作相对运动,由于研磨粒子的机械作用和抛光液的化学作用平衡的结合,实现对器件表面的光亮加工目前CMP技术被广泛的应用在半导体电路领域,诸如集成电路和超大规模集成电路中对芯片的抛光。由于现在器件微小化的发展,这就要求对器件进行全局抛光,而CMP则是现在主流的能满足要求的全局抛光技术而早在2003年,世界CMP市场就已经发展到了数亿美元。4 化学机械抛光的研究现状简单而言，化学机械抛光工艺就是在一定压力及抛光浆料存在下，被抛光工件相对于抛光垫相对运动，借助于纳米粒子的研磨作用与氧化剂的腐蚀作用之间的有机结合，在被研磨的工件表面形成光洁表面（见图7）。在CMP 平坦工艺出现之前，集成电路工艺常用的平坦

21、化方法包括:热流法、旋涂式玻璃法、回蚀法、电子环绕式共振法。通过上述工艺方法只能获得晶片的局部平坦化。而CMP 是目前几乎唯一的可以提供全局平面化的技术，它能够将整个晶片上的高低起伏全部磨成理想的厚度。这也是目前许多半导体厂在他们的制造过程中大量采用CMP 抛光法的最大原因。CMP 过程中最重要的两大组件便是浆料和研磨垫。浆料常是将一些很细的氧化物粉末(粒径约在50 nm)分散在水溶液中而制成。研磨垫大多是使用发泡式的多孔聚亚安醋制成。在CMP 过程中，我们先让浆料填充在研磨垫的空隙中，并提供了高转速的条件，让晶圆在高速旋转下和研磨垫与研磨液中的粉粒作用，同时控制下压的压力等其它参数。CMP

22、的组成设备分径约在50 nm)分散在水溶液中而制成。研磨垫大多是使用发泡式的多孔聚亚安醋制成。在CMP 过程中，我们先让浆料填充在研磨垫的空隙中，并提供了高转速的条件，让晶圆在高速旋转下和研磨垫与研磨液中的粉粒作用，同时控制下压的压力等其它参数。CMP 的组成设备分直接影响产品的良率。CMP的数学模型在众多的数学模型中，图4所示的这种模型应该属于一种比较新的模型5：它是基于弹塑性微观接触机理和磨损理论，符合抛光过程中的表面磨损机理。图4 模型示意图CMP的机理研究图5演示了MCP过程的四个阶段3。一，磨粒和基底由于化学反应被聚集在一起。在第二阶段中，磨粒和基底由于相对运动产生摩擦和抛光应力，从

23、而接触在一起。在第三阶段,在机械力的影响后，两者间产生固相化学钝化层。四，机械效应应用于去除基底表面的钝化层。整个过程表现为不同的磨粒和一遍又一遍继续去除基底材料,直到实现所需的目标。图5 去除机理仿真另外一种去除机理13，如图6所示，是利用分子在CMP过程动力学模拟方法进行的研究。在CMP处理的情况下，该压痕深度在于纳米或亚纳米的范围内，巨大的静水压力引起的在本地变形区域这使得材料去除和表面生成过程与传统的制造业流程不同。为了研究的物理本质，作者进行分子动力学（MD）分析硅的化学机械抛光的晶圆。仿真结果表明，感应出的局部区域大的静液压压力，并导致硅原子从经典的菱形结构（硅）转变到金属结构（硅

24、）。这个重要的因素导致硅的韧性断裂，然后欧版超光滑表面。作者采用分子动力学方法，研究硅材料去除的的化学机械抛光的情况。仿真结果表明，在局部区域一个产生巨大的静水压力，以便打破了理想的化学键的相互作用。此压力导致的单晶硅原子从经典的菱形结构转变（硅），向金属相结构（硅）转变。它与单晶硅传统模式不同，因为它是在脆性材料的环境中通过使用特殊的加工工具和特殊技术参数实现。该加工进程不是共价键的固有特征，而是来自于由于巨大的水压导致的金属相感应的物理性质。经典分子动力学和第一原理模拟可以提供一个独特而强大的工具包理论。对原子水平CMP研究，这可能会产生物理和化学过程的过程中清晰的画面CMP。同时，我们假

25、定，所提出的模拟给予变形的定性正确看待机制及其发展趋势。 CMP仍然是一个复杂的过程为现代的模拟技术，并且需要合理的假设和简化。图6 去除机理示意图对于晶体的损伤机理的研究16，如图7所示，研究了CdZnTe晶片的研磨和机械抛光工艺过程中晶片的表面和亚表面损伤。表面损伤主要有三体磨料磨损和在研磨过程中嵌入式磨粒磨损，很难保证所有嵌入式磨料磨损可通过超声波清洗去除。在次表层发现一个新的损伤型，这是由嵌入磨料磨具压痕引起。在加工过程中，当使用绒毛垫更换研磨板，表面的损伤主要是由两体磨料和三体磨料磨损引起的，而嵌入式磨粒磨损大大削弱。此外，这种新的伤害类型在次表面几乎消失。图7抛光示意图CMP的抛光

26、液有提出一种更具经济效益的碱性的多晶硅表面抛光液2，并且可以提高平滑度。在现阶段的论文中，针对多晶硅，抛光液更多的是酸性的，如HF、硝酸、乙酸；新的抛光液包括NaOH和NaClO。实验是在3×3微米的区域进行观察的，实验结果使用的是原子力显微镜进行检测。通过AFM对晶界表面的粗糙度和区域分析，发现碱性抛光优于现存的酸性抛光。定量的检测表明：碱性抛光具有更好的表面平顺度，每片晶圆的工艺花费远低于使用酸性抛光，且具有更高的生产率、更加环保和安全。图8-1和图8-2表明酸性的实验具有更高的抛光峰高，图8-3和图8-4表明酸性的AFM图中，白色部分更多（75nm以上的高度表面），这都表明碱性

27、的抛光液可以得到更高的平滑度。图8 晶体表面AFM图在最终抛光后，不同过氧化氢浓度会对硅圆晶表面微粗糙度产生影响8。如图9图9 粗糙度其中抛光液为碱性的。均方根粗糙度在H2O2的质量分数为0.5%时最小，同时接触角减小到21°，有利于增加在CMP中的化学反应。在不同浓度下硅蚀除的电化学阻抗被测量，基于这种测量，一种结合了摩擦系数的新机理被提了出来。过硫酸钾作为氧化试剂的CMP9，也是针对抛光液的研究。在考虑磨料的选择时。从Al2O3和CeO2两种磨料中选择了后者，因为后者有更低的MRR,抛光在碱性浆料中进行，K2S2O8作为氧化剂，H2O2作为参考，结果表明使用氧化剂导致更低的粗糙度

28、和MRR。图10表示随着磨粒尺寸的变化，抛光后表面粗糙的变化，当磨粒直径到3微米时，粗糙度的变化就很小了，所以实验选择3微米最优。图10粗糙度与磨粒尺寸关系通过引入胺类化学试剂，蚀除率会发生很大的改变，常用的用于制作外延晶圆的硅基底7，其硼的参杂浓度为2.8×1018cm-3，为了消除硼浓度差异造成的CMP率的不同，增加了抛光过程中的机械作用，晶格中Si-B的结合更牢固、更稳定，所以随着硼的增多，硅基底的硬度会增大。图 显示了在具有amine试剂不同温度下腐蚀速率随着硼浓度的变化，图11在不同压强下去除率随着硼浓度的变化。前期主要能影响的化学反应，所以去除率变化不大，1017量级以后

29、，因为参硼对硅基底硬度的影响。图11 胺类对去除率的影响CMP工艺中晶片曲率造成的膜应力如图12所示，在不同的下压力的接触压力分布（100Pa时-800Pa），杨氏模量和垫的泊松比是2.29e8，0.3分别向上弯曲半径为50米。本文建立一个基于两体接触理论模型模拟在CMP过程中因薄膜应力引起的晶片曲率进而产生的接触压力18。研究同时考虑了晶片和垫在接触过程中的变形。计算了晶片的接触压力分布与曲线不同曲率半径的关系。晶片的曲率对平均去除率和晶片内的去除速率的不均匀性（WIWNU）进行模拟并与实验数据的比较。根据体型接触模型，当垫是完全接触，接触压力随着硅片的分布趋势在硅片向上或向下弯曲时几乎相同

30、。接触压力的平均值将随向下曲率的增大而增加。WIWNU会随着晶圆从凹（向上弯曲）到凸（向下弯曲）而降低。图12 晶圆直径与膜应力CMP抛光盘的纹理演变实验是对单晶硅抛光，在10kPa下进行的6。如图13，随着抛光的进行，圆柱状的机构逐渐破碎成碗状的结构，原始的纹理遭到破坏，特别是在60min到100min之间，结构发生了剧烈的改变，在150min后基本上不能使用。图片是通过SEM获得的，增加压力可以延长抛光盘的使用寿命。图13 抛光盘纹理演变采用辅助装置的CMP技术如图14，利用超声辅助抛光技术对硅晶圆边界进行精密处理4，基于先前的工作，针对硅晶圆边界进行精密处理，一个更加新颖的UAP技术被提

31、出来，它具有更高的加工效率。由于抛光片的椭圆超声振动，磨料中的磨粒以极高的加速度作用在工件表面，这实现了在低的硅片转速或是少量的磨料情况下也可以到达很高的材料去除率和表面质量。合理的试验参数，是粗糙度提高了31.7%，提高AC电压也可以提高抛光效应。图14 超声辅助的CMPRoll-CMP工艺随着CMP 应用于越来越多的领域，一种新的化学机械抛光技术，Roll-CMP被提了出来19。对于柔性基底的抛光，它采用了线接触材料去除机理，并检测了工艺参数对MRR及非均匀性的影响。影响Roll-CMP的参数有下压力，滚动速度，桌面进给率，浆料流速以及桌面振幅大小。增加下压力，滚动速度，浆料流速和浆料的温

32、度则可以导致高的平均MRR。进一步，因为抛光区域的影响，当振幅增加时，平局MRR会减小。一个大的下压力，高转速，高的桌面进给率，以及好的浆体速率可以有效的减小不均匀性。这些结果有利于理解新发展的Roll-CMP工艺。图15 Roll-CMP工艺CMP的工艺参数有研究泥浆流量，氧化剂浓度以及PH值对材料去除率的影响，磨粒采用的是二氧化铈和三氧化二铝10。如图15所示为PH值对不同磨料的影响，实验结果表明，应用两种不同的磨料会导致不同的结果。用氧化铝磨料时，材料去除率随PH的升高而降低，直到PH值达到9。使用二氧化铈磨料时，随着PH的升高，材料去除率持续上升，直到PH值达到10。出现这种现象的原因

33、是，使用氧化铝时，氧化剂与晶片表面的砂浆由于粒子聚集而使接触角减小；后者是由于粒子的聚集和二氧化铈的改性造成的。综上，二氧化铈磨料的抛光效率较高，最佳条件是：PH=10.氧化剂浓度0.4%，泥浆流量70ml/min。图16 PH值对去除率的影响化学机械研磨中，采用直流极化和交流阻抗技术，探究研磨压力对硅片性能的影响11，如表1所示表1不同研磨压力下N型硅的电化学参数，由表中数据可知，随着研磨压力的增加，腐蚀电位在持续减小，腐蚀电流密度在持续增加。腐蚀电位的减小是因为硅片表面部分或完全的机械磨损，这种磨损可以增加钝化膜的去除，增强晶片的氧化率。另外，腐蚀电流密度的大小代表了材料的腐蚀率，随着研磨

34、压力的增加，腐蚀电流密度也在增加，说明材料被腐蚀的效率提高，有益于提高加工效率。对于光硅衬底的化学机械抛光工艺的优化14，实验研究了化学机械研磨（CMP）过程的的四个关键影响因素对硅衬底抛光的平整度和表面光洁度光、材料去除率（MRR）。实验结果和分析表明垫转速，抛光压力对MRR有显著，抛光头的旋转速度和料浆供给速度的相互作用速度对平坦度影响显著，与垫转速在表面上的显著效果光的硅衬底的粗糙度保留时间抛光。该四大因素研究优化组合是9800帕，垫转速的抛光压力20转，20rpm的打磨头转速，和一个100毫升/分钟浆料供给速度。通过：优化CMP工艺使硅衬底获得纳米级的表面粗糙度和测微平整度，使之具有极

35、高的MRR同时以便减小抛光时间从超过8小时到仅15分钟。 实验结果和分析表明，该垫转速、抛光压力对MRR有显著影响，抛光头的转速和浆料供给速度共同作用对平整度显著影响，垫转速对表面粗糙度有显著影响。在用9800 Pa的压力抛光时比在4900帕时高出88；以20rpm垫转速抛光光学硅衬底的平均MRR比在40rpm时高为171。抛光时，抛光头以20rpm旋转、浆料供给速度为100ml /分钟可达到最低的平均平整度值。光学硅衬底的平均RT高度抛光在垫转速为20转时比以40rpm低43。最佳四大因素的结合是：垫转速的抛光压力9800帕， 垫转速20转，20rpm的抛光头转速，和一个100毫升/分钟浆料

36、供给速度。掺杂物对CMP的影响表2表2所示不同的均匀掺杂硅片移除率1。只调查30片。毯子的去除率晶片是通过称重CMP前后重量得到的结果。CMP为1 h。两个低掺杂的Si(100) 去除率本质上是相同的。硼的增多在（100）上是去除率变低，在（111）上的去除率偏低，可能是由于更高的原子面密度，这个和之前的报道不同。对于作用压力的解释有所不同，更小的压力使过程更加偏向于化学反应，因此更像氢氧化腐蚀。晶片尺寸对材料去除速率的影响在这项研究中，通过数模及实验研究晶圆尺寸对材料去除率（MRR），晶片平整度研究17。恒定的条件下，随着晶圆尺寸的增加，二氧化硅（SiO2）薄膜材料略有增加。 材料去除率的增

37、加可能是由于在温度升高使化学反应的加速。结果表明，数学模型中的K值和可很好理解晶圆尺寸在相对稳定的速度下对MRR及其分布。这些参数可以方便有效的预测CMP效果及有效设计抛光机。图17 各种大小的晶片的MRR分布的实验和理论的比较硅回收晶片抛光工艺效率的研究本文运用六西格玛方法和五步骤DMAIC对晶圆回收15。利用现有的抛光参数的试验设计方法设计一个四因素三水平的正交试验。四因素如下：气缸盖的下压力，PP转，LP转，和泥浆流。研究参数对去除率（MRR）和晶片的总厚度变化（TTV）影响，得出的优化参数，改进抛光工艺提高工艺收率、质量。优化后的参数下压力设定在230公斤，5升/分钟浆流速，LP转速在

38、50转,PP转速在50转。图18 工艺参数改变前后的MRR图19 工艺参数改变前后的TTV5太阳能级硅片的表面精加工的研究现状后表面抛光对太阳能硅片的性能影响，太阳能硅片厚度减小会引起光损，对硅片后表面抛光后可以增强光在硅片内部的反射12。图20 一些反射光谱和透射光谱黑方：抛光面的反射光谱红圆：传统工艺下前变形表面的反射光谱绿圆：抛光后前变形表面的反射光谱蓝菱形：传统工艺下前变形表面的透射光谱紫菱形：抛光后前变形表面的透射光谱抛光后的表面的平均反射率和透射率在30%和17%左右，分析图知，传统工艺和抛光工艺对晶片反射率的影响没有太大差异，这说明，在后表面反射的光在从晶片透射出去之前就被完全吸

39、收了。图中还显示，经抛光处理的硅片对波长大于900nm的波的透射率比较低，这是由于对硅片后表面的抛光增强了光在其内部的反射。6 总结与展望国内外针对硅的抛光研究基本上都是围绕着CMP开展的，从最基础的数学模型和抛光机理，到通过采用不同的磨粒、氧化剂和表面活性剂等工艺实验，还有通过增加超声振动的方式来提升加工质量和效率，再到最终的质量检测及控制等。最常用的设备是AFM、SEM，从而得到微观的组织形貌图进行分析。现在半导体工艺技术正在高速的发展,理论和技术仍然不断推陈出新，尤其是大直径硅片的双面化学机械抛光，因此对基础的半导体芯片的性能要求逐渐提高。尽管减薄技术和CMP技术也在很快的发展,但是还有

40、很多理论及技术问题尚待解决。几乎所有的 CMP 去除机理的研究首先是研究抛光材料或抛光工艺参数的变化对抛光速率的影响，然后从中推测出物理或者数学模型，最后再将模型应用于有限的实验中来验证。迄今为止仍没有能完整描述 CMP 材料去除机理的模型。因此，有必要首先对于抛光过程中一些本质问题进行研究，然后在此基础上展开对抛光机理的探讨。通过探索各个影响因素之间的相互关系,从而建立更加完善的CMP工艺,增加CMP技术的可靠性和再现性；此外，减薄机和抛光机的转速、抛光料化学性质对粗糙度和残余应力的影响等基础机理研究不够,因此,系统地研究减薄、抛光工艺过程参数,建立完善的理论模型,定量确定最佳工艺,是研究芯

41、片减薄、抛光工艺的主要方面。未来半导体表面精加工技术向4个方向发展：(1)机械、化学和电磁等相结合的复合抛光技术(2)利用场效应辅助抛光并采用数控机床技术(3)采用软磨料或无磨料抛光从而获得超光滑表面(4)通过控制工件所受的加工压力来控制材料的去除,最终达到弱力乃至微力加工从而大大提表面加工质量。参考文献01 M. Forsberga , N. Keskitalob, J. Olsson. Effect of dopants on chemical mechanical polishing of silicon. Microelectronic Engineering 60 (2002) 14

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