followme園地（第2期）

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在上期的沈陽科晶設備制造有限公司的followme園地中，介紹了《設備選擇》。使用沈陽科晶公司的精密設備，用不到6萬元就可以建立你自己的加工實驗室。有了自己的實驗室，就要有相應的技術。來保證你的實驗室的良好運行。為此目的，我們向科晶公司用戶，介紹一下晶體基片加工的*過程，來感謝產品用戶的大力支持。《切磨拋工藝》來到了followme園地，進入您的視野。
　　　　　　　　　　　　 切磨拋工藝
　　將各種晶體加工制成半導體器件生產線上所需要的拋光片（襯底片）需要經過切片，磨片和拋光等工序。這一平面加工工藝的簡稱就是所謂的切磨拋工藝。
切片：
　　 加工大直徑的晶體時，通常用內園切割機來進行加工。用這種設備切出的晶體基片是平的。因為刀片由外圍張力環支持，震動小。相鄰的晶片損傷小。小直徑的晶體材料，可用科晶公司生產的SYJ-150型或EC400型切割設備進行加工，實用快捷。
　　 而對于脆性的，切割時易損的晶體材料，使用科晶公司生產的 SYJ-2型精密線切割機是非常合適的 。該設備使用鑲嵌金剛石的線鋸絲或普通的線鋸絲，同時使用研磨漿來實現各種材料的無損傷切割。該機的工作臺水平可旋轉90˚卡具，并具有切割線張力調整裝置，來實現精密的切割。
　　 SZX-1全自控高精度晶體線切割機，是沈陽科晶設備制造有限公司推出的國內*研發制造的全自控高精度線切割機，是由計算機控制的理想切割機，可以切割zui大棒料直經4英寸的各種晶體、陶瓷、及金屬材料，切割厚度可小于0.2毫米。
　　 晶體材料在切片前，需要進行定向。例如單晶硅材料，一方面為了確定管芯劃片時*方向（對【111】單晶參考定位面為<100>面）。另一方向，為使拋光片<襯底>在外延時，有利于減少外延層表面角錐缺陷，降低層錯密度及減少隱埋圖形的畸變和位移。一般要求切割片（襯底片）【111】朝向zui近的【110】偏離4～5度。
　　 切割晶體時，按照切割設備的操作規程，逐條進行。一般都會加工出合格的晶體基片。要注意的是，由于切片設備的刀片的平整度及設備本身的精度造成的震動，會對切割的晶體基片表面造成機械損傷層，這一損傷層，一般來講zui少在30～70μm之間。所以在加工晶體基片時，切片的厚度，要把機械損傷層考慮到，例如：如果要求在半導體器件生產線上需要厚度為300μm的晶體基片，那么切割晶體基片時要求晶體基 片的厚度應在450～500μm左右。
●切片時的機械損傷（刀片震動造成）　　 30μm～70μm (一面)
●磨片時機械損傷（磨料造成）　　　　　　 5μm～15μm (一面)
●拋光時去除機械損傷　　　　　　　　　　 1μm以下
以上只是為用戶提供一個考慮的思路。切割晶體基片的厚度尺寸原則是，保證zui終拋光片尺寸厚度要求時，晶體切割時，片厚越薄越好，不但節省了晶體，降低了成本，也提高了磨片和拋光工序的效率。
磨片
　　磨片工序就是用各種磨料，對切割好的晶體進行加工處理，目的是去除因切割時刀片震動及機器本身精度造成的晶體基片表面的機械損傷層，提高晶體基片的平整度，使晶體基片達到適合拋光的標準。
　　研磨各種晶體基片時，一般要選用雙面磨片機，特別是晶體基片提供商，只能選擇這種所謂四軌跡的雙面研磨機。用這種設備研磨出的晶體基片的平整度是可得到保證的。在實驗室中研磨晶體基片時，可選用各種小型的單面磨片機，靈活、實用。例如：在研磨2英寸以下的晶體基片時，可以選用802精密研磨拋光機，在研磨3英寸以上的晶體基片時選用1502型精密研磨拋光機。
　　根據研磨晶體材料的不同，以及對晶體基片的不同要求，可以選用不同顆粒度的各種研磨材料。對于莫氏6以下的各種晶體材料可選用白剛玉微粉磨料，而莫氏硬度6以上的各種晶體材料，可以選用碳化硅或碳化硼等磨料。


　　磨料的顆粒大小和顆粒度的均勻性，與被研磨的晶體基片表面質量有很大關系。在一定的工藝條件下，損傷層深度正比于所使用的磨料顆粒度大小。粗的磨料引起較深的損傷層，反之損傷層小。所以，磨片工序分為粗磨和精磨兩道工序。粗磨工序用于快速減薄晶體基片，精磨工序用改善片面質量，這是因為磨料的顆粒大小，對研磨效率有較大的影響，磨料顆粒度的大小與研磨速度成正比，與研磨質量成反比。研磨速度與機械的轉數成正比。壓力越大，研磨效率就越高。但是，壓力過大，容易產生碎片現象和損傷增大。研磨速度是隨磨料的濃度增加而加快的，要得到好的研磨質量，又能提高生產效率，就必須用適當的磨料，合理的壓力和合適的機器轉數。
研磨液的一般配比：磨料：水=10～20：100
　　選擇質量好的磨料是非常重要的，對同一種型號的磨料，其顆粒大小也會不均勻，尤其是大顆粒（數量極小），引起后果極壞。因為磨料的顆粒度越大，加到磨盤底下的磨料就越少，即每個顆粒所擔負磨盤的總壓力就越大，而磨料顆粒又把加于它的壓力，傳給所研磨的晶體基片的表面，所以對加工的晶體基片表面的損傷就越深，造成深的損傷。不但會對晶體基片產生很深的損傷層，而且使表面造成劃道。
　　 在研磨晶體基片前的工作是要進行選片。也就是要把切割好的晶體基片按不同厚度進行分類。將厚度一樣的晶體基片進行粘片，準備研磨。因此，影響晶體基片平整度的因素包括選片、粘片和在研磨過程中磨料分布的情況及晶體基片本身的質量。所以，在研磨過程中，磨料的流量要保持不變，特別是晶體基片本身厚度要均勻。
粘片：把切割后的晶體基片粘在載料盤上，然后進行研磨減薄加工，去除晶體基片的機械損傷層。這一道工序是很重要的，它直接關系到晶體基片的平整度和平行度。粘片的粘合劑是一種特別的石蠟制品，主要成份是石蠟、松香、以及聚乙稀醇等。適用于各種晶體基片的粘合，沈陽科晶公司可以為用戶提供這種石蠟制品。粘片的關鍵是掌握石蠟的熔點溫度，以及涂蠟層的均勻度。
　　下面，我們給使用科晶公司產品的用戶舉兩個例子，說明一下，如何根據研磨的晶體材料（切割好的晶體基片），來選擇研磨的方式和磨料的種類及顆粒度。
例1、　　研磨切割好的單晶硅的晶體基片，根據單晶硅的物理性質，更主要是根據單晶硅的莫氏硬度為5，我們選用一次研磨的加工方式，選用白剛玉微粉磨料，磨料的顆粒度型號為M10，當硅片的直徑為2英寸時，在802型設備上研磨，時間1小時，就可去除硅片上面的機械損傷層，此時晶體基片的損傷層只是磨料本身的顆粒直徑造成的損傷層為10μm左右。達到拋光工序的用片要求。
例2、　　研磨白寶石的晶體基片，根據白寶石（AL2O3）的物理性質，更主要是根據白寶石的莫氏硬度為9這一情況，我們選用二次粗磨和一次精磨的加工方式，選用碳化硼或碳化硅磨料。粗磨工序時，選用M20和M10的磨料顆粒度。精磨工序時，選用M5或M3.5的磨料顆粒度。在白寶石基片的直徑為2英寸時，在802型設備上研磨，二次粗磨和一次精磨分別在三臺機器上進行，時間為8小時，就可去除白寶石兩面的機械損傷層，此時晶體基片上的損傷層僅為3.5μm左右。達到拋光用片要求。

　　　　　　　　　　　　　　　　 拋光
　　 這一工序是去除磨片時所形成的表面損傷層，使晶體基片表面光潔如鏡，達到器件生產線上對晶體襯底片的質量要求。也可以說，拋光的目地是為器件制造提供盡可能、無機械損傷層和無雜質粘污的鏡面表面。
　　 晶體基片質量的優劣，對器件與集成電路的電學性能和成品率有著極重要的影響。拋光質量的關鍵是拋光材料和拋光工藝條件的選擇。根據所生產器件的工藝要求，晶體基片可進行一次拋光或二次拋光。一般來說，為了提高拋光效率和拋光質量，通常把晶體基片拋光分為粗拋光和精拋光兩步進行。粗拋光的作用是快速去除磨片時造成的破碎，損傷和高畸變層；精拋光則是要達到高性能，高可靠器件對晶體基片的高質量要求的目地。
　　 拋光工序，對設備選擇也是很重要的。科研單位，大專院校選擇科晶公司生產的幾種拋光設備進行晶體基片拋光是非常實用的，能夠保證拋光襯底片的質量。2英寸或2英寸以下的晶體基片可選用802型精密研磨拋光機；3英寸的晶體基片可選用1502型精密研磨拋光機；如有特殊需要還可以選用壓力式研磨拋光機。
　　在拋光工序中，所使用的拋光工藝，一般都是所謂的化學機械拋光。在機械研磨晶體基片的同時，發生化學腐蝕作用。這樣能去除在磨片時磨料對晶體基片表面造成的損傷層，使晶體基片表面光潔如鏡，達到預定拋光效果。
　　 下面就硅片拋光工藝，來介紹一下典型的二氧化硅膠體化學機械拋光原理。
因為二氧化硅是酸性氧化物。所以將二氧化硅溶入*溶液中，有小部分二氧化硅與*反應生成硅酸鈉（Na2Sio3水玻璃）其反應式如下：
　　　　　　　　 SIO2+2NAOH=Na2SIO3+H2O
　　 大部分二氧化硅微粒分布在*溶液配制成的二氧化硅膠體拋光液，PH值一般控制在9左右。該拋光液的原理是：
　　 硅片表面被拋光液中的*腐蝕，生成硅酸鹽，二氧化硅膠粒對這層不*鍵合的硅酸鹽進行機械磨削，實現去除硅片表面損傷，使硅片表面平整，光潔如鏡之目地。其 化學反應如下：
　　　　　　　　　　　　 SI+4NaOH→Na4SIO4+2H2↑
　　 要想獲得質量好的拋光片，首先應使拋光過程中的化學腐蝕作用與機械作用達到平衡。如果化學腐蝕作用大于機械磨削作用，則拋光表面產生腐蝕坑、波紋，如果機械磨削作用大于化學腐蝕作用，則拋光片表面產生橘皮、拉絲。
　　與腐蝕作用有關系的是拋光溫度，拋光液的PH值，溫度與PH值增高則化學腐蝕速度加快。與磨削作用有關的是壓力，機械轉數、二氧化硅顆粒度、拋光布等。壓力愈大，機械轉數愈快，二氧化硅顆粒度愈粗，則磨削速度愈快。拋光布儲存拋光液的能力愈強，磨削速度也愈快。反之就慢。
　　不同的晶體基片的拋光工藝所使用的拋光液是不同的。要根據所拋光的晶體基片的物理化學性質，來選擇相適應的拋光液。沈陽科晶設備制造有限公司，可根據用戶的要求，提供相應的拋光液，使您在使用科晶設備的時候，更加有效，實用和應手。
　　因為拋光液的純度高，顆粒度小，應在凈化好的環境中進行拋光生產。否則，環境粘污和大顆粒的侵入，就不會得到高質量的拋光片。塵粒的侵入是造成拋光片表面劃道和質量不好的一個重要因素。的工藝條件應是在100級的凈化環境中進行拋光生產。以便能夠拋出高質量的晶體基片來。
　　另外，在拋光過程中，如果分粗拋光和精拋光兩道工序，原則上應嚴格分開在兩臺設備上進行，以保證精拋光片的高質量。
　　下面，我們給使用科晶設備的用戶舉兩個例子，來說明一下如何根據所要拋光的晶體基 片，來選擇拋光方式及拋光液。
例1、　　拋光單晶硅基片
　　根據硅的物理化學性質和器件生產線上的工藝要求，我們選用一次拋光方式，采用二氧化硅膠體拋光液。這是因為拋光時，雖然二氧化硅與硅片的磨擦也會使硅片表面產生損傷，但是由于硅與二氧化硅的硬度相當，并呈膠團形式，因此損傷較小，而且二氧化硅不呈現在拋光片表面的嵌入。
　　 設備選擇科晶公司的幾種型號精密研磨拋光機，根據硅片的大小而定那一種，拋光布選用無紡布。拋光工藝參數：
　　 拋光液PH值為9　　　　　　　　 溫度20˚左右
　　 拋光液流量1500ml/分　　　　　　 拋光壓力200～250g/cm²
　　 拋光盤轉數100～200轉/分　　　　 載料盤轉數20～40轉/分
　　 拋光速率10μ～15μ/小時　　　　 拋光時間2小時
　　按照上述工藝，可拋出鏡面硅片來，達到器件生產線上工藝對襯底片的質量要求。
例2、　　拋光白寶石晶體基片
　　根據白寶石晶體的物理性質，和器件生產線上的工藝要求，我們選用二次拋光方式，使用兩種不同的拋光液。一種拋光液用來粗拋光，另一種用來精拋光。由于白寶石的莫氏硬度為9，使用的粗拋光液中的某種拋光材料的顆粒要硬和尖銳，而使用的拋光液中的某種拋光材料的顆粒要硬和柔軟膠團。
　　 同樣選擇科晶公司生產的精密研磨拋光設備，根據晶體基片的大小，來選擇一定的機型。拋光選用無紡布。拋光工藝參數：
粗拋光液為：
　　 拋光液PH值為9　　　　　　　　 溫度20˚左右
　　 拋光液流量1500 ml /分　　　　　　拋光壓力200～250 g/cm²
　　 拋光盤轉數100～120轉/分　　　　 載料盤轉數20～40轉/分
　　 拋光速率5μ～10μ/小時　　　　 拋光時間2小時
　　 清洗后然后進行精拋光
　　 拋光液PH值為10　　　　　　　　溫度20˚左右
　　 拋光液流量1500 ml /分　　　　　　拋光壓力200～250 g/cm²

　　 拋光盤轉數100～120轉/分　　　　載料盤轉數20～40轉/分
　　 拋光速率5μ/小時　　　　 拋光時間2小時
　　按照上述工藝進行操作，可拋出像水晶一樣的白寶石晶片來，達到器件生產線上工藝對白寶石晶片的質量要求。
　　 拋光后，要對所拋的晶體基片進行檢測，檢測項目主要有：表面缺陷及損傷情況，平整度等。
　　 拋光片的表面缺陷較多，一般有劃道、蝕坑、波紋、橘皮、麻點、霧狀等。這些缺陷一般在日光燈或白熾燈下都能發現。對沒有缺陷的拋光好的晶體基片，還要進行襯底檢測。一般用400倍的顯微鏡進行操作。
　　 產生劃道的原因主要是拋光液中混入大顆粒物。因此，拋光的環境和拋光機及拋光液的清潔度尤為重要。
　　 蝕坑和波紋產生的原因主要是拋光時腐蝕速率大與磨削速率。如拋光液PH值過高，拋光布儲存拋光液的能力差等。解決這一問題只要稍微降低拋光液的PH值就可以解決。
產生橘皮的原因主要是拋光磨削速率大于腐蝕速率，只要稍微增加拋光液中的PH值就可以解決了。
　　在日光燈下就能看到麻點，實際上是磨片層留下來的砂坑，是拋光時間短造成的后果。沒有去除一定的厚度，增加拋光時間，達到一定的去層厚度，就可以解決了。
　　 拋光片表面的霧狀，可以用軟的拋光布拋光來解決。
　　 拋光片表面的平整度是晶體基片的重要參數。拋光片表面的不平整，將使光刻時，掩模和晶體基片表面不能很好地密合接觸，造成光刻圖形的變壞。目前，對晶體基片表面局部平整度（SFQD）一般要求為設計線寬的 2/3，以64M存儲器的加工線寬0.35μm為例，則要求硅片局部平整度在22m m² 范圍內為0.23μm，256M電路的SFQD為0.17μm。
　　 拋光的平整度一般要用平整度測試儀測試。但對于定性觀測，肉眼也可以勝任。影響晶體基片表面平整度，同粘片技術和拋光盤的平整性有直接關系。只要解決好了，就可以加工出符合器件生產工藝要求的合格拋光片來。
《切磨拋工藝》向科晶公司的用戶說聲再見了。《化學清洗》將在下期和您們見面。