硅片表面的抛光技术
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1）机械抛光。 2）化学抛光。
3）化学机械抛光—CMP技术。√
1） 机械抛光
• 方法：抛光液的磨料对硅片表面进行机械 摩擦，而实现对表面的抛光。
• 研磨浆组成：Al2O3、MgO、SiC等磨粒+水 • 优点与缺点：
优点：抛光速度快。 缺点：表面质量不高，粗糙化、划痕严重。 • 地位：最早期的硅片抛光技术，目前已经 被淘汰。
2） 化学抛光
• 方法：利用化学试剂对硅片表面进行化学腐 蚀，来进行抛光，包括：液相、气相腐蚀、 电解抛光等。
• 缺点：不利于控制抛光速度和深度，不利于 获得大面积、高度平整度抛光面。
x1 x2 d
22
双向翘曲
x1 x2
基准面
x3 x4
翘曲度： x1 x2 x3 x4
2
2
3）硅抛光片的表面缺陷
• 缺陷的种类： a: 和研磨片类似的缺陷：崩边、缺口、裂纹 等 b: 特有的表面缺陷：划痕、凹坑、波纹、 沾污、色斑、橘皮、雾、氧化层错、涡旋、 电阻率条纹等
• 划痕：研磨颗粒划出的狭长的沟槽，一般不 会很深，重划痕～0.12um。
• 腐蚀液组成：
NaOH/KOH+H2O 浓度15%～40%
• 反应的特点 优点：反应需加温度，一般80～90℃，速度
比较慢，易控制，废液也易处理。 缺点：反应是纵向反应，易向深层腐蚀，容
易形成表面粗糙度增加，残余碱不易去除。
碱性腐蚀机理
• 硅的碱性腐蚀减薄机理：
Si 2KOH H2O K2SiO3 2H2 Si 2NaOH H2O Na2SiO3 2H2
TIR和FPD的示意图
上抛光面
最凸点
基准面
最凹点
FPD值 如-8um
TIR值， 如12um
抛光片的其它参数
• 抛光片的其它参数：厚度、总厚度变化、 弯曲度、翘曲度等
• 硅片厚度：硅片中心点位置的厚度。 • 总厚度变化TTV：最大与最小厚度的差值
TTV=Tmax-Tmin
弯曲度和翘曲度
• 弯曲度：是硅片中线面凹凸形变的最大尺 寸。
硅被HNO3氧化，反应为：
3Si 4HNO 3 3SiO 2 2H 2O 4NO
用HF去除SiO2层，反应为： SiO 2 6HF H 2 [SiF6 ] 2H 2O
总反应为：
3Si 4HNO 3 18HF 3H 2 [SiF6 ] 8H 2O 4NO
污染物
碱性腐蚀
• 1）硅片的理想状态 • 2）硅片表面的平整度 • 3）硅片表面的缺陷
1）硅片理想状态
• 硅片的理想状态： a: 硅片上、下表面之间，对应的测量点的垂
直距离完全一致，且任意表面均与理想平面 相平行。 b: 硅片表面晶格完整，所有非饱和的悬挂键 位于表面的二维平面内。 c: 无杂质污染，无各种晶体缺陷。 • 理想平面：指几何学上的理想的、完美的平 整平面。
• a: 酸性腐蚀 • b: 碱性腐蚀
酸性腐蚀
• 腐蚀液组成：
[HF]:[HNO3]:[HAc]乙酸=(1~2):(5~7):(1~2)
• 反应的特点：
优点：反应速度快，过程中放热，不需要加 热，典型速度0.6～0.8um/s。 缺点：反应生成的氮化物，污染环境。
酸腐蚀的机理
• 硅的酸性腐蚀减薄机理：
• 凹坑：表面上的凹陷小坑 • 波纹：大面积的，肉眼可见的，类似波纹的
不平坦区。 • 沾污：吸附于表面的各种污染颗粒。 • 色斑：化学性沾污。 • 橘皮：大面积的，大量突起小丘的群体。 • 雾：大面积的，大量不规则缺陷（如小坑）
引起的光散射现象，常常形成雾状。
2. 抛光前的化学减薄
• 1）化学减薄的作用。 • 2）化学减薄的方法。 • 3）化学减薄的工艺流程。
俯视
悬挂键
斜视
平视
若干原子层平面
Si
（理想平面）
3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.5
2
1.5
1
6 0.5
4
0 2
-0.5
0
-1
-2
-4
6
4
2
0
-2
-4
-6 -6
2） 硅抛光片表面的平整度
• 定义：标志表面的平整性，指硅片表面与 理想基准平面的最大偏离。
• 描述平整度的两个参数： a: 总指示读数(TIR)：硅片抛光表面最高点和 最低点之差，即峰谷差值，只为正值。 b: 焦平面偏差(FPD)：表面最高点和最低点二 者中，偏离基准平面的最大值，可以是正 或负值。
3）化学减薄的工艺过程
准备工作
厚度分选
化学腐蚀
送检验
冲洗甩干
• 准备工作：配腐蚀液、开通风橱、准备冲洗 水等。
• 厚度分选：2～5um分档，比如，d和d+6um 属于两个种类。
• 腐蚀过程：控制温度、时间，腐蚀层一般 10～20um。
• 冲洗甩干：用大量水将硅片冲洗，并甩干。
• 送检。
3. 硅片抛光的方法
1）化学减薄与作用
• 定义：采用化学腐蚀的方法，将硅片表面 进行化学剥离，从而减薄损伤层，为抛光 创造条件。
• 化学减薄的作用：
减少抛光过程的去除层厚度。 使硅片表面洁净—去除表层。 消除内应力—去除损伤层。
化学减薄的作用
杂质原子
张应力 挤压应力
化学减薄平面 抛光面
Si
2）化学减薄的方法
• 研磨片粗糙度(抛光前)：～10-20um • 抛光片粗糙度(抛光后)：～几十nm
研磨片
抛光片
研磨和抛光中关注的参数
• 研磨片：一定厚度的薄片，是一种体材料， 只关注某些体的特征参数，如厚度、翘曲 度，和表面的参数，如崩边。
• 抛光片：有光滑表面的硅片，主要关注加 工的硅表面的特征参数。
1. 抛光片的特性参数
• 翘曲度：硅片中线面与一基准平面之间的 最大距离与最小距离的差值。
• 硅片的中线面：也称中心面，即硅片正、 反面间等距离点组成的面，即中心层剖面。
弯曲度
弯曲度
基准面
单向翘曲
A点
d
x2
x1
下界面 上界面
在A点，中线面和基准平面的距离最大： x1
最小距离：d ，反向翘曲时，此值为负值。
2
x2
2
翘曲度：
硅片表面的抛光技术
内容
1. 抛光片的特性参数。 2. 抛光的基本流程：化学减薄—抛光。 3. 典型的抛光方法—CMP
CMP: Chemical Mechanism polish 4. 抛光的工艺流程。
硅片抛光的意义
• 硅加工中，多线切割、研磨等加工过程中， 会在表面形成损伤层，从而使得表面有一 定粗糙度。抛光就是在磨片基础上，通过 化学机械研磨方式，进一步获得更光滑、 平整的硅单晶表面的过程。
3）化学机械抛光—CMP技术。√
1） 机械抛光
• 方法：抛光液的磨料对硅片表面进行机械 摩擦，而实现对表面的抛光。
• 研磨浆组成：Al2O3、MgO、SiC等磨粒+水 • 优点与缺点：
优点：抛光速度快。 缺点：表面质量不高，粗糙化、划痕严重。 • 地位：最早期的硅片抛光技术，目前已经 被淘汰。
2） 化学抛光
• 方法：利用化学试剂对硅片表面进行化学腐 蚀，来进行抛光，包括：液相、气相腐蚀、 电解抛光等。
• 缺点：不利于控制抛光速度和深度，不利于 获得大面积、高度平整度抛光面。
x1 x2 d
22
双向翘曲
x1 x2
基准面
x3 x4
翘曲度： x1 x2 x3 x4
2
2
3）硅抛光片的表面缺陷
• 缺陷的种类： a: 和研磨片类似的缺陷：崩边、缺口、裂纹 等 b: 特有的表面缺陷：划痕、凹坑、波纹、 沾污、色斑、橘皮、雾、氧化层错、涡旋、 电阻率条纹等
• 划痕：研磨颗粒划出的狭长的沟槽，一般不 会很深，重划痕～0.12um。
• 腐蚀液组成：
NaOH/KOH+H2O 浓度15%～40%
• 反应的特点 优点：反应需加温度，一般80～90℃，速度
比较慢，易控制，废液也易处理。 缺点：反应是纵向反应，易向深层腐蚀，容
易形成表面粗糙度增加，残余碱不易去除。
碱性腐蚀机理
• 硅的碱性腐蚀减薄机理：
Si 2KOH H2O K2SiO3 2H2 Si 2NaOH H2O Na2SiO3 2H2
TIR和FPD的示意图
上抛光面
最凸点
基准面
最凹点
FPD值 如-8um
TIR值， 如12um
抛光片的其它参数
• 抛光片的其它参数：厚度、总厚度变化、 弯曲度、翘曲度等
• 硅片厚度：硅片中心点位置的厚度。 • 总厚度变化TTV：最大与最小厚度的差值
TTV=Tmax-Tmin
弯曲度和翘曲度
• 弯曲度：是硅片中线面凹凸形变的最大尺 寸。
硅被HNO3氧化，反应为：
3Si 4HNO 3 3SiO 2 2H 2O 4NO
用HF去除SiO2层，反应为： SiO 2 6HF H 2 [SiF6 ] 2H 2O
总反应为：
3Si 4HNO 3 18HF 3H 2 [SiF6 ] 8H 2O 4NO
污染物
碱性腐蚀
• 1）硅片的理想状态 • 2）硅片表面的平整度 • 3）硅片表面的缺陷
1）硅片理想状态
• 硅片的理想状态： a: 硅片上、下表面之间，对应的测量点的垂
直距离完全一致，且任意表面均与理想平面 相平行。 b: 硅片表面晶格完整，所有非饱和的悬挂键 位于表面的二维平面内。 c: 无杂质污染，无各种晶体缺陷。 • 理想平面：指几何学上的理想的、完美的平 整平面。
• a: 酸性腐蚀 • b: 碱性腐蚀
酸性腐蚀
• 腐蚀液组成：
[HF]:[HNO3]:[HAc]乙酸=(1~2):(5~7):(1~2)
• 反应的特点：
优点：反应速度快，过程中放热，不需要加 热，典型速度0.6～0.8um/s。 缺点：反应生成的氮化物，污染环境。
酸腐蚀的机理
• 硅的酸性腐蚀减薄机理：
• 凹坑：表面上的凹陷小坑 • 波纹：大面积的，肉眼可见的，类似波纹的
不平坦区。 • 沾污：吸附于表面的各种污染颗粒。 • 色斑：化学性沾污。 • 橘皮：大面积的，大量突起小丘的群体。 • 雾：大面积的，大量不规则缺陷（如小坑）
引起的光散射现象，常常形成雾状。
2. 抛光前的化学减薄
• 1）化学减薄的作用。 • 2）化学减薄的方法。 • 3）化学减薄的工艺流程。
俯视
悬挂键
斜视
平视
若干原子层平面
Si
（理想平面）
3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.5
2
1.5
1
6 0.5
4
0 2
-0.5
0
-1
-2
-4
6
4
2
0
-2
-4
-6 -6
2） 硅抛光片表面的平整度
• 定义：标志表面的平整性，指硅片表面与 理想基准平面的最大偏离。
• 描述平整度的两个参数： a: 总指示读数(TIR)：硅片抛光表面最高点和 最低点之差，即峰谷差值，只为正值。 b: 焦平面偏差(FPD)：表面最高点和最低点二 者中，偏离基准平面的最大值，可以是正 或负值。
3）化学减薄的工艺过程
准备工作
厚度分选
化学腐蚀
送检验
冲洗甩干
• 准备工作：配腐蚀液、开通风橱、准备冲洗 水等。
• 厚度分选：2～5um分档，比如，d和d+6um 属于两个种类。
• 腐蚀过程：控制温度、时间，腐蚀层一般 10～20um。
• 冲洗甩干：用大量水将硅片冲洗，并甩干。
• 送检。
3. 硅片抛光的方法
1）化学减薄与作用
• 定义：采用化学腐蚀的方法，将硅片表面 进行化学剥离，从而减薄损伤层，为抛光 创造条件。
• 化学减薄的作用：
减少抛光过程的去除层厚度。 使硅片表面洁净—去除表层。 消除内应力—去除损伤层。
化学减薄的作用
杂质原子
张应力 挤压应力
化学减薄平面 抛光面
Si
2）化学减薄的方法
• 研磨片粗糙度(抛光前)：～10-20um • 抛光片粗糙度(抛光后)：～几十nm
研磨片
抛光片
研磨和抛光中关注的参数
• 研磨片：一定厚度的薄片，是一种体材料， 只关注某些体的特征参数，如厚度、翘曲 度，和表面的参数，如崩边。
• 抛光片：有光滑表面的硅片，主要关注加 工的硅表面的特征参数。
1. 抛光片的特性参数
• 翘曲度：硅片中线面与一基准平面之间的 最大距离与最小距离的差值。
• 硅片的中线面：也称中心面，即硅片正、 反面间等距离点组成的面，即中心层剖面。
弯曲度
弯曲度
基准面
单向翘曲
A点
d
x2
x1
下界面 上界面
在A点，中线面和基准平面的距离最大： x1
最小距离：d ，反向翘曲时，此值为负值。
2
x2
2
翘曲度：
硅片表面的抛光技术
内容
1. 抛光片的特性参数。 2. 抛光的基本流程：化学减薄—抛光。 3. 典型的抛光方法—CMP
CMP: Chemical Mechanism polish 4. 抛光的工艺流程。
硅片抛光的意义
• 硅加工中，多线切割、研磨等加工过程中， 会在表面形成损伤层，从而使得表面有一 定粗糙度。抛光就是在磨片基础上，通过 化学机械研磨方式，进一步获得更光滑、 平整的硅单晶表面的过程。