第四讲晶片加工及质量检测演示文稿

第四讲晶片加工及质量检测演示文稿目前一页\总数六十一页\编于十八点（优选）第四讲晶片加工及质量检测目前二页\总数六十一页\编于十八点硅晶片是由半导体级硅单晶棒生产而出。硅单晶棒的制造是耗时且高成本的技术，因此晶片成形工艺的首要目地在于如何提高硅单晶棒的使用率，将硅单晶材料浪费降至最低。这一目标主要通过晶片厚度的控制与加工损耗的降低(KerfLoss)来达到。晶片成形工艺的第二个目地是提供晶片高平行度与平坦化(Flatness)的洁净表面。高平坦度晶片表面对半导体元件制造中图案移转技术(PatternTransfer)具有相当关键的影响。目前三页\总数六十一页\编于十八点硅晶片除了须具有良好的表面特性外，其表面物质仍需与内层(Bulk)材料性质一致。单晶硅是脆性材料，在晶片成形过程中的各种工艺都会在晶片表面造成许多微观缺陷(MicroDefect)。而这些晶体上的缺陷常会影响半导体中载流子(Carrier)的形成。因此维持晶片表面结晶、化学与电性等行为与其内层材料的一致是晶片成形过程的第三个目的目前四页\总数六十一页\编于十八点切片(Slicing)切片是晶片成形的第一个步骤，也是相当关键的一个步骤。在此步骤中决定了晶片几个重要的规格：·晶片结晶方位(SurfaceOrientation)·晶片厚度(Thickness)·晶面斜度(Taper)与曲度(Bow／Warp)目前五页\总数六十一页\编于十八点晶棒固定(Mounting)晶棒来到切片工艺时，已是磨好外径与平边(Flat/Notch)。因此在切片前必需将晶棒稳固的固定在切片机上。在八寸的硅晶片上，尺寸的精度是以微米(Micrometer)为单位来考虑，因此晶棒黏附的稳固性是十分重要的。一般晶棒在切片前是以腊或树脂类的黏结剂黏附于与晶棒同长的石墨条上。石墨条除了具有支撑晶棒的作用外，同时还有防止锯片对晶片边缘所造成的崩角现象(ExitChipping)与修整(Dressing)锯片的效果目前六页\总数六十一页\编于十八点结晶定位(Orientation)硅单晶棒成长的方向为<100>或<111>可与其几何轴向平行，或偏差一固定角度。因此晶棒在切片前需利用X—光衍射的方法来调整晶棒在切片机上正确的位置目前七页\总数六十一页\编于十八点切片(Slicing)切片是硅单晶由晶棒(Ingot)变成晶片(Wafer)的一个重要步骤，在此一制程中决定了晶片在今后的工艺过程中曲翘度的大小，同时此时硅晶片的厚度对后面工艺的效率(如晶面研磨、蚀刻、抛光)有决定性的影响。在切片制程中主要设备，切片机(SlicingMachine)，有两种加工方式：内径切割和线切割(Wire-SawSlicing)。内径切割是利用边缘镶有钻石微粒，厚度在0.2mm以下的金属锯片来切割晶棒(图11)。由于锯片相当薄，因此在切割过程任何锯片上的变形都会导致所切出晶片外形尺寸上的缺陷，线切割则是在高速往复移动的张力钢线上喷洒陶瓷磨料来切割晶棒(图12)。线切割是以整支晶棒同时切割，而内径切割是单片加工，线切割所加工出硅晶片的曲翘度特性较好目前八页\总数六十一页\编于十八点目前九页\总数六十一页\编于十八点目前十页\总数六十一页\编于十八点晶边圆磨(EdgeContouring)晶边圆磨的主要作用有：1，防止晶片边缘碎裂晶片在制造与使用的过程中常会遭受晶舟(Cassette，Boat)、机械手(Robot)等撞击而导致晶片边缘破裂(EdgeChipping)，形成应力集中的区域。而这些应力集中区域会使得晶片在使用中不断的释放污染粒子(Particle)，进而影响产品的合格率。2，防止热应力(ThermalStress)集中晶片在使用时会经历无数高温过程(如氧化、扩散、薄膜生长等)。当这些工艺中产生热应力的大小超过硅晶体(Lattice)强度时即会产生位错(Dislocation)与滑移(Slip)等材料缺陷。晶边圆磨可避免此类材料缺陷的产生。3，增加薄膜层／光阻层在晶片边缘的平坦度：在薄膜生长工艺中，锐角(SharpCorner)区域的成长速率会较平面为高，因此使用未经圆磨的晶片容易在边缘产生突起。同样的，在利用旋转涂布机(SpinCoater)上光刻胶(Photo-resist)时，也会发生在晶片边缘堆积的现象。这些不平整的边缘会影响光罩对焦的精确性目前十一页\总数六十一页\编于十八点晶面研磨(Lapping)切片后硅晶片仍未具有适合于半导体工艺要求的曲度、平坦度与斜度，因此晶面研磨是晶片抛光工艺之前的关键工艺。硅晶片在抛光过程中表面磨除量(Removal)仅约5微米(MicronMeter)，且对晶片曲度与斜度无法作大幅度改善。因此，晶片研磨工艺对抛光晶片的效果有著实质性的影响。晶片研磨工艺的主要目地是去除晶片切片(Slicing)时所产生的锯痕(SawMark)与破坏层(DamageLayer)，而同时降低晶片表面粗糙度(Roughness)目前十二页\总数六十一页\编于十八点目前十三页\总数六十一页\编于十八点晶面研磨的设备如图13所示。待研磨的硅晶片被置于挖有与晶片同大小空孔的承载片(Carrier)中，再将此载片放置于两个研磨盘之间。研磨盘以液压方式压紧待研磨晶片，并以相反方向旋转。硅晶片表面材料的磨除主要是靠著介于研磨盘与硅晶片间的陶瓷磨料(GritSlurry)以抹磨的方式来进行。整个晶面研磨工艺的控制是以研磨盘转速与所施加的荷重为主。一般而言，研磨压力约为2-3Psc，而时间则为2-5min，制程的完成则是以定时或定厚度(磨除量)为主。晶面研磨的原理并不复杂，但若要维持高的合格率却必须注意磨盘与磨料的选择，磨盘的平坦度会影响硅晶片的表面状况而磨料则是决定了研磨的效率。目前十四页\总数六十一页\编于十八点蚀刻(Etching)蚀刻工艺的主要目的去除之前机械加工在晶片表面所造成的应力层，并同时提供一个更洁净平滑表面。在蚀刻过程中所使用的蚀刻液可区分为酸系与碱系二大类。通常酸性蚀刻液由氢氟酸、硝酸及醋酸所组成的混酸。而碱性蚀刻液则是由不同浓度的氢氧化钠或氢氧化钾所组成。蚀刻工艺的设备是以酸洗槽为主，其工艺流程示意图如图29。该工艺的关键在于腐蚀时间的控制。当硅晶片离开酸液槽时，必须立即放入水槽中将酸液洗尽，以避免过腐蚀现象发生目前十五页\总数六十一页\编于十八点目前十六页\总数六十一页\编于十八点抛光(Polishing)1，边缘抛光(EdgePolishing)边缘抛光的主要目的在降低微粒(Particle)附著于晶片的可能性，并使晶片具有较佳的机械强度以减低因碰撞而产生碎片的机会。常用的边缘抛光设备以机械动作的运动型态来分，可分为下列两种：第一种边缘抛光方式系将晶片倾斜、旋转并加压于转动中的抛光布。正确的抛光布搭配适当的抛光剂经常可得到最佳的抛光效果，一般的抛光剂采用悬浮的硅酸胶。第二种抛光方式是预先在抛光轮(Buff)上车出晶片外缘的形状再进行抛光的动作。边缘抛光後的晶片必需马上清洗，清洗过後再做目视检查是否有缺口(Chip)、裂痕(Scratch)或污染物的存在再进行晶片表面抛光。目前十七页\总数六十一页\编于十八点2，晶片表面抛光(WaferPolishing)

抛光是晶片表面加工的最后一道步骤，移除量约10μm，其目的是改善前道工艺所留下的微缺陷并获得一平坦度极佳的晶片以满足IC工艺的需求。图15为晶片抛光方式示意图，抛光时先将晶片以蜡黏著(Mounting)或真空夹持方式固定于抛光盘上，再将具有SiO2的微细悬浮硅酸胶及NaOH等抛光剂加于抛光机中开始抛光。如果晶片与抛光盘间的粘结技术不佳，将影响抛光后晶片表面的平坦度或造成晶片表面缺陷(Dimple)存在，因此抛光前晶片与抛光盘间的粘结技术是影响晶片品质好坏的重要因素。目前十八页\总数六十一页\编于十八点抛光时与晶片接触面间的温度亦影响晶片表面平坦度及移除率，控制较高的温度易得到较大的移除率，但是却不利于平坦度。因此适当的抛光盘温度控制是生产的关键。至于抛光布则需考虑其硬度、孔隙设计与杨氏系数的大小而进行合适的选择。目前十九页\总数六十一页\编于十八点抛光的过程是一个化学机械(ChemicalMechanical)的反应过程。由抛光液中的NaOH、KOH，NH4OH腐蚀晶片最表面层，抛光布、硅酸胶与晶片间的机械摩擦作用则提供腐蚀的动力来源，不断的腐蚀氧化所形成的微抛光屑经抛光液的化学作用与冲除而达到晶片表面去除的目的。最佳的抛光机理是当机械力与化学力二者处于平衡时的状态。抛光过程中若有过于激烈的机械力作用将造成刮伤(Scratch)。抛光的生产方式依设备不同有单片式抛光机及批式抛光机两种，单片式抛光机一次只抛一片晶片，每次抛光的时间大约是4—5分钟。批式生产方式视晶片尺寸而定，一次可同时抛多片晶片，每批次的时间大约20-40分钟。目前二十页\总数六十一页\编于十八点目前二十一页\总数六十一页\编于十八点晶片的测试分析技术光学显微技术光学显微镜的成像原理，是利用可见光在试片表面因局部散射或反射的差异，来形成不同的对比。可见光的波长高达～5000A，虽然分辨率不高，但是仪器购置成本低、操作简便、可以直接观察晶片，同时可以观察区域却是所有仪器中最大的，具有很高的分析效率。因此，在半导体晶片中，对于大范围的杂质分布或结构缺陷的观察，可以利用适当的化学溶液蚀刻杂质或缺陷所在的位置，造成凹痕，形成明暗对比。使用光学显微镜来观察堆砌层错(StackingFaults，SF)、位错(Dislocation)或界面析出物(Precipitates)目前二十二页\总数六十一页\编于十八点X光衍射技术由于X光兼具波与质量的双重性质，因此，X光也同时具备一切光波的特性，如X光可以反射，折射及绕射成1：1的影像；X光可以被物质吸收：X光可以被极化；X光不受磁场或电场影响；X光也可以使底光感光，同时，X光也可以控制波长而调整强度。由于X光波长远较可见光或紫外线为短，利用布瑞格衍射原理可用来进行单晶硅晶片内部原子结构的分析工作。目前二十三页\总数六十一页\编于十八点扫描电子显微分析技术SEM的运作原理如图16所示，由电子枪内的灯丝发射(Emission)的热电子经由阳极(Anode)电场加速，再经电磁透镜(CondenserLens)使电子聚集成一微小电子束。再由物镜(ObjectiveLens)聚焦至试片上。电子束沿著试片上做直线扫描，而同时在阴极射线管(CRT)对应著一条水平扫描。CRT上的信号强弱则是利用探测器获得的电子束讯号，如二次电子(SecondaryElectrons)、背反射电子(BackscatteredElectrons)、穿透电子，X-ray、阴极发光(Cathodeluminescence)及吸收电流等等，将其放大后同步显示在CRT上。利用扫描电子显微镜可以进行材料的形貌观察和相关的化学成分分析。目前二十四页\总数六十一页\编于十八点目前二十五页\总数六十一页\编于十八点原子力显微分析技术原子力显微镜是利用一探针感测来自试片表面的排斥力或吸引力。当探针自无限远处逐渐接近试片时，会感受到试片的吸引力，但是当探针继续接近试片表面时，探针与试片表面的排斥力逐渐增强。一般探针是与一支撑杆(Cantilever)连接而成，探针所感受到的作用力会使支撑杆产生弯折，如图17所示。支撑杆弯折的程度直接反应出作用力的大小，而弯折的程度可利用低功率激光的反射角变化来决定。反射后的激光投射到一组感光二极管上，感光二极管上的激光斑变化造成二极管电流的改变，根据电流变化便可推算出支撑杆的偏折程度。原子力显微镜探针在xyz三维方向的微细移动是利用压电材料(Piezoelectrics)做成的支架来完成。在图17AFM结构中，感光二极管、激光二极管及探针均固定在一金属座上，试片置于一管状压电材料扫描台上，利用管状压电材料xyz的移动完成试片的平面扫描与垂直距离的调整，探针与试片表面之间垂直距离的调整视两者间相互物理作用力的大小而定，有一反馈电路可控制这垂直距离以促使探针与试片表面的相互作用力保持固定。目前二十六页\总数六十一页\编于十八点目前二十七页\总数六十一页\编于十八点AFM的最大功能是晶片表面粗糙度分析、获得表面形貌的三维图象，而微电子行业对产品的质量控制时普遍需要了解晶片这方面的信息。因此AFM目前广泛地应用于微电子元件立体形貌的观察、进行高宽比及粗糙度的测量。目前二十八页\总数六十一页\编于十八点超微量分析技术半导体工艺中所使用的材料及化学品中不纯物浓度，多数元素已经到了1ppb(ng/ml)的程度超微量分析技术就成为半导体制造行业不可缺少的基本分析需求微电子化学分析包括材料、晶片表面污染及化学品等三个项目气相分解配合原子吸收光谱法感应耦合等离子质谱法表面液滴扫描配合反射X射线萤光分析全反射X射线萤光分析(TXRF)一般均需利用物理化学技术，先将晶片表面的污染物予以溶解，然后再利用高灵敏的仪器作测定在样品的前处理过程中若处理不当造成污染，或分析物的遗漏，仪器测定过程中干扰效应没有予以消除，将造成分析结果的误差目前二十九页\总数六十一页\编于十八点1.感应耦合等离子质谱法

该仪器的工作原理是根据由电感耦合等离子体所产生的高温作为样品的激发源，由感应线圈上的电流形成振荡磁场，磁场的强度和方向会做周期性的改变，因而使磁场感应生成的电子流受到加速作用而增加动能，此动能在不断地与Ar气碰撞，产生高热而进行传递，最后产生离子化现象，形成高热的等离子体。由于电感耦合等离子体激发源的温度高达6000一8000K，分析物在此惰性的Ar气等离子体中的停留时间可达2ms，因此可有效的将分析物原子化或离子化，并予以激发。这已成为目前最理想的一种激发源，样品中的待分析物在高温等离子体中被游离成离子，并导人四极柱式质谱仪中进行分析。该仪器对于水溶液的分析，其探测极限可达1012g/ml的程度，广为半导体制造厂使用。目前三十页\总数六十一页\编于十八点ICP一MS除了可以分析水溶液样品外，也可以经由样品导入界面的改变而分析固体样品，该分析方式是由激光聚焦后照射到样品表面，此激光束经由样品表面吸收后，继而转变为热能，样品表面经受热而气化挥发后，由载气导人仪器，最后由质谱仪分析。由于这种分析方法中样品的导人效率高、其有较高灵敏度、可同时进行表面微量分析，目前已逐渐受到重视。目前三十一页\总数六十一页\编于十八点石墨炉原子吸收光谱仪(GFAAS)虽然ICP-MS是目前最灵敏的多元素同时分析仪器，但对某些元素(包括Fe,Ca,K及Si]进行分析时会受到严重的质谱性干扰，使得这些元素分析结果的准确性受到影响。为解决上述元素用ICP一MS分析的困难，一般使用具有同样灵敏度的GFAAS仪器测定这些元素。GFAAS的分析原理是:由瞬间在石墨管内通人高电流导致的温度上升使样品中待测元素形成原子蒸气而挥发，同时由光源处所发出的待测元素谱线会被原子蒸气吸收，并通过光电倍增管测量的信号而进行定量分析。该技术的特点是可以将探测时会导致干扰的基质元素予以分离，减少样品的前处理步骤，但是该仪器只适合做单一元素的测定。然而，它探测灵敏度极高，而且价格较便宜，日前已在半导体工业中得到普遍使用。目前三十二页\总数六十一页\编于十八点3.全反射X射线荧光光谱仪（TXRCTXRF)

该仪器具有与ICP-MS或GFAAS相近的探测灵敏度，且为一种非破坏性的分析仪器，已逐渐在微电子工业中作为微量元素的分析之用。其分析原理是利用x光管产生的x射线光源，先经由反射器消除部分高能量的K射线后，再以低于临界人射角的方向照射放置于样品载体上的分析试样薄膜，试样中待分析元素经由人射x光照射后，会发出特定的X射线荧光，经半导体探测器记录其能量及强度，即可以获得元素的种类及浓度。该方法的信号强度较易受到基质元素的影响，但是在微电子行业中晶片材料较为固定且单一，上述干扰问题较易克服，因此，该技术在半导体表面污染及试剂分析中广泛使用。目前三十三页\总数六十一页\编于十八点怎样的硅片才是好的硅片一、表面无隐裂、针孔、缺角，孪晶、微晶，玷污，应力，崩边（长度≤0.5mm，深度≤0.3mm，每片崩边总数≤2处）

二、TTV(TotalThicknessVariation)、厚度、对边距离、对边距离误差因硅片大小而异，一般≤0.5μm三、翘曲度、弯曲度一般≤0.1mm、对角线、倒角弦长、斜边角度等误差应尽量小，垂直度痕深度≤10μm、电阻率0.5-3Ω•cm、少子寿命≥2μs、位错密度（Nd)≤3000/cm2四、氧含量单、多晶硅≤8×1017；碳含量单晶硅≤5×1016个/厘米3、多晶硅≤8×1017个/厘米3目前三十四页\总数六十一页\编于十八点如何检测硅片的质量不同规格和用途的的硅片有不同的检测标准，因此有不同的检测方法。硅片规格及用途按直径划分按单晶生长方法划分CZ硅：二极管、外延衬底、太阳能电池、集成电路MCZ硅：用途和CZ硅相似，性能好于CZ硅FZ硅：高压大功率器件，可控整流器件外延硅：晶体管，集成电路领域，如逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在集成电路制造中有更好的适用性按掺杂情况划分按用途划分

目前三十五页\总数六十一页\编于十八点硅片质量检测方法与仪器一，不需特别的要求，隐裂、针孔、缺角、孪晶、微晶、崩边、线痕可目测，若有较高要求可用显微镜。二，对边距离、对角线、倒角弦长可用游标卡尺测量；翘曲度、弯曲度可用塞尺。三，而TTV(TotalThicknessVariation)、厚度可用测厚仪测量，也可以用XRD或者Thick800A等目前三十六页\总数六十一页\编于十八点

游标卡尺塞尺目前三十七页\总数六十一页\编于十八点Thick800A元素分析范围从硫(S)到铀（U）。一次可同时分析最多24个元素，五层镀分析检出限可达2ppm，最薄可测试0.005μm。分析含量一般为2ppm到99.9%。多次测量重复性可达0.1%，长期工作稳定性可达0.1%，温度适应范围为15℃至30℃。目前三十八页\总数六十一页\编于十八点四，电阻率的测量可以用四探针测试仪；少子寿命可用少子寿命检测仪四探针测试仪少子寿命检测仪目前三十九页\总数六十一页\编于十八点下面介绍

晶片的测试分析技术一、光学显微技术二、X光衍射技术三、扫描电子显微分析技术四、原子力显微分析技术五、超微量分析技术目前四十页\总数六十一页\编于十八点一、光学显微技术光学显微镜成像原理：利用可见光在试样表面因局部散射或反射造成差异来形成对比。在半导体晶片检查中，对于大范围的杂质分布或结构缺陷的观察，可以利用适当的化学溶剂刻蚀杂质或缺陷所在的位置，造成凹痕，形成明暗对比。检测项目：堆垛层错、位错或界面析出物。目前四十一页\总数六十一页\编于十八点硅片检测显微镜7XB-PC1、产品简介：大平台检测显微镜是专为IT行业大面积集成电路，晶片的质量检测而设计开发制造的，主体为正置式，三目镜筒，比传统的显微镜更适合于观察。上部安装彩色摄像机连接彩色监视器直接观察，可连接计算机打印报告、照片或连接数码相机、135照相机直接拍照，还可以直接进行图象记录，并建立技术检测报告。存储、查询，可省去复杂繁琐的摄像、洗印等暗室工作，大大的提高了工作效率。2、特点：2.1放大倍数：40X-500X2.2超大型载物台，样品可以大范围的快慢速移动，扩大检测领域的使用范围，适用于电子、机械、化工、科研、院校等部门，以及金相技术检验、失效分析等。目前四十二页\总数六十一页\编于十八点3、仪器功能硅片检测显微镜可以观察到肉眼难观测的位错、划痕、崩边等;还可以对硅片的杂质、残留物成分分析。杂质包括:颗粒、有机杂质、无机杂质、金属离子、硅粉粉尘等，造成磨片后的硅片易发生变花、发蓝、发黑等现象，使磨片不合格。目前四十三页\总数六十一页\编于十八点相关硅片实例：目前四十四页\总数六十一页\编于十八点X射线衍射仪目前四十五页\总数六十一页\编于十八点二、X光衍射技术由于X光的波粒二象性，因此，X光也同时具备一切光波的特性，如X光可以反射、折射及衍射；X光可以被物质吸收；X光可以被极化；X光不受磁场或电场影响；X光可以使底片感光；X光也可以控制波长来调整强度。利用布拉格衍射原理，可以进行Si晶片内部原子结构的测试分析工作。目前四十六页\总数六十一页\编于十八点X光衍射技术原理图目前四十七页\总数六十一页\编于十八点相关测试标准可参考GB/T1555-1997半导体单晶晶向测定方法目前四十八页\总数六十一页\编于十八点三、扫描电子显微分析技术扫描电子显微镜（Scanningelectronmicroscope--SEM）是以类似电视摄影显像的方式，通过细聚焦电子束在样品表面扫描激发出的各种物理信号来调制成像的显微分析技术。用于观察硅片表面及边缘的微观结构，放大倍数5-300000。当在硅片表面/边缘发现不明物质时，可以使用EDX分析其成分。目前四十九页\总数六十一页\编于十八点3.1扫描电镜工作原理及构造扫描电镜的基本原理

SEM的工作原理是利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产行各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。目前五十页\总数六十一页\编于十八点硅片的SEM电镜图如下目前五十一页\总数六十一页\编于十八点目前五十二页\总数六十一页\编于十八点目前五十三页\总数六十一页\编于十八点目前五十四页\总数六十一页\编于十八点四、原子力显微分析技术扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscope)是一种发展迅速的显微技术，其中原子力显微镜(AutomicForceMicroscope，AFM)因为对导体及绝缘体均有极出色的三维空间的显像能力，所以成为应用最广泛的扫描探针显微镜。由于扫描探针显微镜有极佳的三维图像分析能力，而且可在大气环境中直接进行图像观察，操作与维修比SEM简单，因此，已逐渐的被应用于晶片清洗方法开发、掩膜重叠曝光定位、刻蚀形貌检测、平坦化和粗糙度分析、晶片与镀膜表面形貌及缺陷观察。目前五十五页\总数六十一页\编于十八点原子力显微镜是利用一探针感测来自样品表面的排斥力或吸引力来进行工作的。AFM的最大功能是晶片表面的粗糙度分析和获得表面形貌的三维图像，而微电子行业对产品质量控制时普遍需要了解的就是晶片这方面的信息。因此，目前AFM被广泛的应用于微电子器件立体形貌的观察以及高度比和粗糙度的测量。原子力显微镜的工作原理示意图目前五十六页\总数六十一页\编于十八点五、超微量分析技术1995年国际半导体仪