半導體矽（guī）晶片超精密加工（gōng）研究

　　矽是具有金剛石晶體結構，原子間（jiān）以共價鍵（jiàn）結合的硬（yìng）脆材料。其硬度達1000HV，但斷裂強度很低，超（chāo）精密加工這樣的硬脆材料有一定的難度。同時，矽又是一種很好的半導體材料（liào），構成（chéng）集成電路半導體晶片（芯片（piàn））的90%以上都是矽晶片。以信（xìn）息網絡為代表的信息（xī）革命浪潮，正在各方麵推動著社（shè）會進步，改（gǎi）變著人們（men）的（de）生活（huó）方式，提（tí）高人們的生活水平。所有（yǒu）這些進步（bù）和發展，主要由半導體矽（guī）片上所製成的微細集（jí）成電路芯（xīn）片及由各種芯片器件製（zhì）成的各種電器所引起和（hé）推動的。

　　另外，在現代國防和軍事（shì）方麵，電子（zǐ）信息化武（wǔ）裝的武器裝備在（zài）現（xiàn）代戰爭中發揮著（zhe）越來越重要的作用，甚至起（qǐ）著決定戰爭勝負的關鍵性（xìng）作用。所有這一切的發展和需要，都是建（jiàn）立在半導體矽材料的基礎之上。半（bàn）導（dǎo）體矽材料是（shì）半導體工業最重（chóng）要的主體功能材料，是第一大功能電子材料，至今（jīn）全球矽材料的使（shǐ）用仍占半導體材（cái）料總量的95%以上。矽材料、矽器件和矽集成電路的發展與應用水平早已成為一個國家的國力、國防、國（guó）民經濟現代化及人（rén）民生活水平的重要（yào）標誌（zhì）。集成電路自 1959 年（nián）發明以來，集成電（diàn）路芯片 的集成度在不斷提高，而加工特征尺寸（cùn）和加工成（chéng） 本逐步縮小[2]，如表 1 所示。

　　為了能在矽晶片上印刷集成電路（lù）、與其他元件結合（hé）緊密，矽晶片的表麵必須平直；特別是隨著集成電路集成度的提高，對矽晶片表麵的線寬、矽晶片的平直度提出了越（yuè）來越高（gāo）的要求；而且企業為了占領市場，實現（xiàn）優質、低耗、大尺寸、高精度的矽晶片超（chāo）精密加工具有極其重要的意義。

　　超精密加工的加工機理主要包括“進化加工”及“超越性加工”。目前除對機理研究（jiū）外，還對微觀 表麵完整性，在超（chāo）精密範疇內（nèi）對各種材料的加（jiā）工過程、現象、性能以及工藝參數進行提（tí）示性研究。由於直接對切削點（diǎn）觀察異常困難，現在（zài）有提議將切削裝置小型化，放置（zhì）於SEM的鏡（jìng）頭下進行切削並觀察。日本大阪大學井川直哉教授等開始采用 計（jì）算機仿真，逐步向揭開微量（liàng）切削（xuē）的奧秘（mì）迫（pò）近。超精（jīng）密加工方法主要包括超精密切削（車、銑）、超精密磨削、超精密研（yán）磨（機械研磨、化學機械研磨、非接觸式浮動研磨（mó）、彈性發射加工等）以及超精密特種加工（電子束、離子束以及激光束加工等）。而且在今後的相當一段時間，亞微米及納米級製造及（jí）測量成為製造科技和製造工藝的主流。

　　矽晶片主要研究方法及現狀

　　1.1 矽（guī）晶片的形成生產矽晶片從製作矽錠開（kāi）始（shǐ），這可能需要一周至一個月的時（shí）間。75%以上的單晶矽片使用切克勞斯（sī）基直拉（CZ）法製成（chéng）。將大塊的多（duō）晶矽與少量摻（chān）雜劑一起（qǐ）放入石英坩堝內即可製出（chū）矽錠。多晶矽通過氯代矽（guī）烷和氫氣的（de）複（fù）合還原及純化處理從砂石中（zhōng）提煉出來。摻雜劑使矽錠具（jù）有期望的電學特性並決定矽錠的類型（xíng） （P 或 N）。單晶拉製是將大塊的多（duō）晶矽與少量摻雜劑一起放入熔爐石（shí）英坩堝內。多晶（jīng）矽在高純度氬氣流中、1400 ℃加工溫度下融化。當其（qí）成為熔體（tǐ）時，即相當於一顆單晶矽片的“種子”灑落在了熔體中並且被慢慢地拔出。種子的表麵張力使小量熔融的矽晶體與種子一起升起，形成一個理想的（de）、與種子具有相同晶體定向的單晶錠塊。成形的單晶錠塊被打磨成大致的直徑尺寸（cùn），順著錠塊長度方向呈現“鋸（jù）齒狀”或 “扁平狀”，據此形狀可判斷（duàn）錠塊的結晶定向。切割使用（yòng）金剛（gāng）石圓鋸將晶棒切割成晶片。邊緣打磨加工（gōng）矽晶片時一個非常重要的步驟就是在後續加（jiā）工過程或以後的元件製作過程中減少（shǎo）晶片的破損。初成形的晶片邊（biān）緣都是經過充分打磨，這樣做可以大大地改善（shàn）清洗效果並減（jiǎn）少（shǎo）破損，有效率（lǜ）達 400%。研磨（mó）晶（jīng）片在切割過後十分粗糙，兩邊均有鋸過的痕跡和瑕疵。研磨處理（lǐ）可去除晶（jīng）片表麵的鋸痕和（hé）瑕疵，同時能夠緩解切割過程積聚在晶片中的應力。研磨過程還會導致出現裂紋以及其他 相關現象，通過蝕刻和清（qīng）洗，用氫氧化鈉溶液或乙酸、硝酸混合溶液去除研磨造成的細裂（liè）縫和（hé）表麵破損（sǔn），然後用去離子水衝（chōng）洗。拋光過程包括幾個步驟，需要使用越來越細的漿料（拋光劑）。晶片可進（jìn）行正麵拋光，也（yě）可雙麵拋光。拋光處理前對晶片進行多晶矽包覆、吹（chuī）砂或（huò）毛刷（shuā）損傷等“背麵損傷”處（chù）理，目的是為了“收集瑕疵”，將矽晶片的瑕疵拉向晶（jīng）片背麵，而遠離要加放元器件的正（zhèng）麵。最終（zhōng）清洗，該步驟去除晶片上（shàng）大量的金（jīn）屬、殘渣以及顆粒物。清（qīng）洗方法為 RCA，於 20 世紀 70 年代所研製。第一步稱為 SC1，依次使用氨水、稀氫氟酸、去 離（lí）子水清洗。下（xià）一步 SC2 清洗包括依次使用鹽 酸、雙氧水、去離子水清（qīng）洗。

　　清洗處理後晶片最（zuì）後進行雙麵擦洗，去掉最小的顆粒物。矽晶片經過以下過程形成：多晶體矽→極限拉伸（局域（yù）拉伸）→單晶體（tǐ）矽柱→外圓磨削（無心磨削）→磨削切斷（精（jīng）密切割）→圓邊（biān）→矽晶片

　　●拉單晶工序：融化 → 頸部成長（zhǎng） → 晶冠成長 → 晶體成長 → 尾部成長。

　　●晶棒裁切（qiē）與檢（jiǎn）測：將（jiāng）長成的晶棒去掉直徑偏小的頭、尾（wěi）部分，並對尺寸進行檢測，以決定下步加工的工（gōng）藝參數。

　　●外徑磨削（xuē）：由於在（zài）晶（jīng）棒成長過程中，其外徑尺寸和圓度均有一定偏差，其外（wài）圓（yuán）柱麵（miàn）也凸凹不平，所以必須（xū）對外徑進行修整、研磨，使其尺寸（cùn）、形狀（zhuàng）誤差均小於允許偏差（chà）。

　　●切斷：由於矽的硬（yìng）度非常大，所以在本工序裏，采用環（huán）狀，其內徑邊緣鑲嵌有（yǒu）鑽石顆粒的薄片鋸片將（jiāng）晶棒切割成一片片薄片。

　　●圓邊：初切割的晶片外邊緣很鋒利，矽單晶又是脆性材料，為避免邊角崩裂影（yǐng）響晶片強度、破壞表麵光潔和對後工序帶來汙染顆粒，必須（xū）用專 用的電腦控製設備自動修整晶片邊緣形狀和外徑尺寸。

　　1.2 矽晶片的傳（chuán）統加工（gōng）工藝矽（guī）晶片（piàn）加（jiā）工是（shì） IC 製造係統重要的基礎（chǔ）環（huán）節， 矽片的加工精度、表麵粗糙度和表麵完整性直接影（yǐng）響 IC 的線寬和 IC 的性（xìng）能，對於＜200 mm 的矽 片（piàn），傳統的加工工藝過程為（wéi）：切片→倒角（jiǎo）→研磨→ 腐蝕→清洗→拋光（如圖 1 所示）。由於采用內圓金剛石鋸片切割會（huì）產生較大的翹曲變（biàn）形，最大翹曲量達到 37 μm，矽片表麵還會殘（cán）留切（qiē）痕和微裂痕，損傷層深度可達 10～50 μm，經雙麵研磨機平整化加工後可使矽片厚度公差小於 3 μm，總厚度 變化（huà） TTV＜1 μm，平整度＜1 μm，但表（biǎo）麵粗糙度 為 0.1～0.2 μm，達不到要求，需經過後續的腐蝕去除（chú）研磨所產生的表麵損傷層，最後經過化學（xué）機械拋光獲得超光滑無損傷表（biǎo）麵。

　　1.3 矽晶片的超精（jīng）密加工經（jīng）過上述過程所形成的矽晶片，其平麵度小於 8 μm，但還需進一步加工，以提高（gāo）其平麵（miàn）度和降低表麵粗糙度。其主要過程為粗磨→精磨→化（huà）學（xué）刻蝕→拋光（guāng）→電路層製作→背麵（miàn）磨削→切割成小塊。

　　1.3.1 超精密切削研究現狀單點金剛石切（qiē）削（SPDT）。單點金剛（gāng）石切削的特點是采用數控（kòng）方法直接控製加工輪廓和表麵粗糙度，是（shì）加工紅外光（guāng）學材料和磨削（xuē）加工的可替代方法。Venkatesh 等人采用 0°前（qián）角、刀尖半徑為 0.75 mm 的（de）金剛（gāng）石（shí）刀（dāo）具加工矽晶片，當切削深度為 1 mm、進（jìn）給速度為 0.4 mm/min、主（zhǔ）軸速度為 400 m/min 時，采用 AFM 測（cè）量方法，所（suǒ）得到的表麵粗糙度達到 1 nm[7]。金剛石切削刀具刃口圓弧（hú）半徑一（yī）直在向更小（xiǎo） 的方向發展，因為它的大小直接影響到被加工表麵的粗糙度，同時還（hái）必然要求金剛石刀具更加鋒利（lì）。根（gēn）據日本大阪大學島田尚一博（bó）士（shì）介紹，為了進行切薄試驗，目標是達到切（qiē）屑的厚度 1 nm，其刃（rèn）口圓弧半徑趨近 2～4 nm。為解決金剛石刀具的磨損問題，Jiwang Yan 等人提出采用倒（dǎo）角金剛（gāng）石刀具大進給塑性加工單晶矽，在進給量（liàng）為（wéi） 5 mm/min 的加工條件下得到的 SEM 連續切屑，加工表麵粗糙度 Ra = 5.1 nm[8]。這一方（fāng）法對（duì）於推廣（guǎng）單點切削的生（shēng）產應用具有重要（yào）意義。

　　1.3.2 超精密磨削研究現狀 （1）矽片自旋（xuán）轉磨削。采用略大於矽片的（de）工（gōng）件轉台（tái），通過真空吸盤每次裝夾一個矽片，矽片的中（zhōng）心與轉台的（de）中心重合，杯形金剛石砂輪的工（gōng）作麵調整到矽片的中心位置。磨削時，矽片和砂輪繞各自的軸線回轉，砂輪隻進行（háng）軸向進給。在超精密磨削中，金剛石砂輪的修整情況對零件的加工質量有決定（dìng）性影響。其修整過程主要包括修（xiū）平 / 結（jié）合（hé）劑去除和去尖，修平一般采用金剛石砂輪磨削相對軟質物質（zhì）。結合劑（jì）去除主要采 用電解法和接觸放電法。目前，采用矽片自旋轉磨（mó）削方法（fǎ）加工直（zhí）徑 150～ 400 mm（6～16 英寸）矽片，可實現（xiàn）矽（guī）片的正麵超精密磨削和背麵磨削減（jiǎn）薄，所（suǒ）達到的技術指標見表 2。

　　1~20 nm，亞表麵損傷深度隻有傳統磨削的 1%～2%，甚（shèn）至小於拋光加工產生的亞表麵損傷深度。由於 Tetraform“C”型磨床結構方（fāng）麵的（de）原因，Cranfield 大學與 Cranfield 精密工程有限公司聯合研製成功一種新型（xíng）的矽片超精密磨床（見圖 3），該（gāi）磨床為敞開臥式結構，並采取控（kòng）溫、隔振等措施，可在一個工序中（zhōng）以很（hěn）高的加工（gōng）效率完成 矽片的塑性域納（nà）米磨削，獲得很好的表麵和亞（yà）表麵完整性。據稱，用該磨床超精（jīng）密磨（mó）削大尺寸矽片可以完全代替傳統工藝（yì）的研磨（mó）和腐蝕工序，甚至有望（wàng）代替拋光加（jiā）工（gōng）。（2）微粉金剛石磨盤的研磨和拋光工藝：A. 高剛度的固著磨料盤安裝在磨拋（pāo）液槽的底部（bù）；B. 磨拋主軸采用高精度（dù）高剛度空氣軸（zhóu）承，Z 向采用高剛度的微進給控製係統，保證工件與（yǔ）磨拋主軸間的位置精（jīng）度；C. 磨拋運動由工件的旋轉和工作台在 X-Y 方向的高精（jīng）度運動組成；D. 通（tōng）過測力平（píng）台精（jīng）密檢測過程中的磨拋力，可進行（háng）超低載荷磨（mó）拋（pāo）加工；E. 采用磨拋液循環過（guò）濾和溫度控製係統，排除磨拋液中的廢屑和保持磨拋液溫（wēn）度（dù）恒（héng）定。F. 利用磨拋液的化學作用和磨盤的機（jī）械作用，通過（guò）控製壓力進行矽片超精密平（píng）整化加工（gōng），在正常磨拋壓力下，大直徑矽片的平麵度可控製在 5～50 nm 之間。1.3.2 超精密研磨研究現狀在包括機械化（huà）學研磨（Chemical-Mechanical Polishing）、非接觸式浮動研磨、彈性發射加工等 超精密（mì）研削中，機（jī）械化學研磨的應用（yòng）比較廣泛（fàn）。其工作原理是由溶液的腐（fǔ）蝕作用形成化（huà）學（xué）反應薄層，然後由磨粒的機械摩擦作用去除。利（lì）用軟磨料的活（huó）性以（yǐ）及因磨粒與工件間在微觀（guān）接觸度的摩擦產生的高壓、高溫，使能在很短的接觸時間內（nèi）出現固相反（fǎn）應，隨後這（zhè）種反應生成物被運動的磨粒機械摩擦作用去除。目前去除量最小至 0.1 nm，整體（tǐ）厚度變化為（0.2～0.4）μm/300 mm， 表麵光潔度為 1 nm。

　　圖 4 為用 AFM 測（cè）得的表麵 粗糙度。英國和德國對這項技術的研究處於領先地位。

　　圖 5（a）、圖 5（b）、圖（tú） 5（c）為矽片的粗磨、超精密磨削和超精密磨拋加（jiā）工（gōng）及其表麵損傷（shāng）層。

　　3 矽片的超精密拋光技術（shù）

　　3.1化學機械拋光

　　化學機（jī）械拋光時，旋轉的（de）工件以（yǐ）一（yī）定的壓力壓（yā）在旋轉的拋光墊上，而由微米或納米磨粒和化學溶液（yè）組成（chéng）的拋（pāo）光液在（zài）工件與拋光墊之（zhī）間流（liú）動，並產生化學反應，工件表麵形（xíng）成的（de）化學反應由磨（mó）粒的機械作用去除，即在化學成膜和機械去膜的 交替過程中實現超精密表麵加工———遊離（lí）磨料CMP。CMP加工過程中，矽片表麵各點（diǎn）的拋光壓力分布是不均勻的，這成為影響矽片（piàn）CMP平整化加工均勻性（xìng）的重要因素，夾持和固定矽片的夾盤和背襯表麵（miàn）平整度直接影響拋光矽片的平整度。日本Tokyo Seimitsu公司應用氣壓控（kòng）製（zhì）技術開發了浮式矽片夾盤，不需要（yào）高精度的平（píng）整背襯，通過在夾盤中形成的氣墊支撐矽片的背麵，以保證拋光過程中（zhōng）均（jun1）勻的壓力分布。

　　3.2等離子輔助化學刻蝕平坦化技術

　　測量係統把矽（guī）片表麵凹凸的幾何誤差信息輸入計算機，由計算機控製等離子噴嘴的位置（zhì）和速度，對凸凹表麵進行局部（bù）加工，刻蝕（shí）速度一般為1~50 mm/min，等離子噴（pēn）嘴直徑可以從3~30 mm選擇，對精度進行控製。

　　3.3電化學機械平坦化（huà）技（jì）術

　　在傳統的電化學銅沉積工藝基（jī）礎上，在兩（liǎng）個電極之間增加非導（dǎo）體多空拋光墊，利用拋光墊的幹擾作（zuò）用實現選擇性電化學（xué）銅沉積，同時拋光墊的機械（xiè）摩擦和拋光作用可去除頂（dǐng）部多餘的銅沉積層，從而通（tōng）過選擇沉積於機械去除雙（shuāng）重作用，減少多餘銅的厚度，達到平坦（tǎn）化的目的（de）。

　　3.4無應力拋光技術由電解拋光技術發展而來，依靠電流密（mì）度效應按（àn）一係列同心（xīn）環對（duì）銅結構表麵進行平坦化。其（qí）工藝（yì）過程為：首先利用電解拋光去除大量的銅；再通過二次拋光，以確（què）保全部去除頂（dǐng）部的銅；最後采用等（děng）離（lí）子體刻蝕工藝去（qù）除頂部的阻擋（dǎng）層金屬，並（bìng） 回蝕某些電（diàn）介質。

　　4矽晶片加工設備的研究現狀

　　美國LLL實驗室於1983年研製的DTM-3大型金剛石超精（jīng）密車床，加工平麵度為12.5 nm，加工（gōng）表（biǎo）麵粗糙度Ra為4.2 nm。英國克蘭菲爾德（dé）（Cranfield）技（jì）術學院所屬的克蘭菲爾（ěr）德精密工程研究所（簡稱CUPE）是當今（jīn）世界上精密工程的研究中心之一，是英（yīng）國超精密加工技術水平的（de）獨特代（dài）表。其生產（chǎn）的Nanocentre（納米加工（gōng）中心）既可以進行（háng）超精密車削，也可以進（jìn）行超精密磨削，加工工件的形狀精度為0.1 nm，表麵粗糙度小於10nm。模塊化、構建化是（shì）超精密機（jī）床進入市場的重要技術手段，如美國ANORAD公司生（shēng）產各種主軸、導軌和（hé）轉台，用戶可根據各自的需要組成一維、二維和（hé）多維超精密運動控製平台和機床。超（chāo）精密機床往往與傳統機床在結構布局上有很大差別，流行（háng）的布局方式是“T”型布局，這種（zhǒng）布局使機（jī）床整（zhěng）體（tǐ）剛度較（jiào）高，控製也相對容易，如（rú）Pneumo公（gōng）司生產的大部分超精密車床都采（cǎi）用這一布（bù）局。模塊（kuài）化使（shǐ）機床布局更加靈活多（duō）變，如日本超矽晶體研究株式會社研製的超精密磨床，用於磨削超大矽晶片，采用三角菱形五麵體結構，用於提高剛度；德國蔡司公司研製（zhì）了4軸AS100精（jīng）密（mì）磨床，用於加工自由形成表麵，該機床除了X、Z和C軸外，附加了A軸，用於加工自由表麵時控製砂輪的切削點。

　　5矽晶（jīng）片加工方法的發展趨（qū）勢

　　（1）雙麵研（yán）磨和采用杯形砂輪的回轉（zhuǎn）磨削可（kě）進一步提高矽晶片的表麵質量，是未來矽（guī）晶片超 精密加工很有競（jìng）爭力的技術；（2）在磨削過程中，通過控製（zhì）刀具相對於（yú）工件的位置和刀具主軸的自動（dòng）調整來獲得理想的加工表麵，實現以磨代（dài）拋；（3）為進一步提高矽晶片的表麵質（zhì）量，大摩擦係數的化學（xué）機械拋光有可能得到（dào）應（yīng）用；（4）對於大尺（chǐ）寸的矽晶片，如（rú）果利用固定金剛石刀具（jù）進行塑性區域（yù）加工，可提高加工精度（dù），減小亞表麵的損傷，減小拋光量，提高加工效率；（5）用超精密切削代替超精密磨削也是超精密技術發展方向之一。