(优选)第四讲晶片加工及质量检测
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（优选）第四讲晶片加工及质 量检测
• 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(Kerf Loss)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(Pattern Transfer)具有相当关键的影响。
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。
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。
• 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 (Saw Mark) 与 破 坏 层 (Damage Layer)，而同时降低晶片表面粗糙度 (Roughness)
• 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
其内层材料的一致是晶片成形过程的第三 个目的
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(Surface Orientation) • ·晶片厚度(Thickness) • ·晶面斜度(Taper)与曲度(Bow／Warp)
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(Exit ChiBaidu Nhomakorabeaping)与修整(Dressing)锯 片的效果
• 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
• 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(Sharp Corner)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(Spin Coater)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
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
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(Slicing Machine)，有两种 加工方式：内径切割和线切割(Wire-Saw Slicing)。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
晶边圆磨(Edge Contouring)
• 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(Edge Chipping)，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(Thermal Stress)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。
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(Grit Slurry)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
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 (Micron Meter)，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。
• 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(Micro Defect)。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
• 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(Kerf Loss)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(Pattern Transfer)具有相当关键的影响。
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。
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。
• 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 (Saw Mark) 与 破 坏 层 (Damage Layer)，而同时降低晶片表面粗糙度 (Roughness)
• 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
其内层材料的一致是晶片成形过程的第三 个目的
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(Surface Orientation) • ·晶片厚度(Thickness) • ·晶面斜度(Taper)与曲度(Bow／Warp)
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(Exit ChiBaidu Nhomakorabeaping)与修整(Dressing)锯 片的效果
• 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
• 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(Sharp Corner)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(Spin Coater)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
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
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(Slicing Machine)，有两种 加工方式：内径切割和线切割(Wire-Saw Slicing)。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
晶边圆磨(Edge Contouring)
• 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(Edge Chipping)，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(Thermal Stress)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。
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(Grit Slurry)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
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 (Micron Meter)，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。
• 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(Micro Defect)。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