半导体硅片的研磨方法与流程

本发明涉及一种半导体硅片的研磨方法，具体涉及金属离子的控制，属于单晶硅的加工领域。

背景技术：

随着半导体器件的快速发展，对单晶硅片的要求越来越高。由于晶片的主面是描绘器件的图案的面，因此必须极力避免晶片主面的伤痕或污染。在硅片整个生产过程中引入元件间的痕量杂质元素可能使芯片的合格率降低。特定污染问题可导致半导体器件不同的缺陷，例如过度金属与重金属（fe,cr,ni,cu等）可使元件的寿命缩短，或者使元件工作的暗电流增大。作为半导体器件的原材料，硅表面的金属离子将直接影响器件加工的合格率。

硅片研磨的目的是为了去除在切片加工工序中，硅片表面因切割产生的、深度约20-50um的表面机械应力损伤层和表面的各种金属离子等杂质污染，并使硅片具有一定的几何尺寸精度的平坦表面。目前，硅片的研磨方法主要有双面研磨和双面磨削，但双面磨削主要针对大尺寸（300mm及以上）单晶硅片，投资较大，是单片磨削，不能实现批量磨削，生产效率较低，不适合现在国内市场主流的8英寸硅片研磨。双面研磨工艺投资小，主要针对8英寸硅片，可批量研磨，提高生产效率。

目前双面研磨工艺中使用的磨盘主要为铸铁盘，使用铁盘容易对晶片的主面造成伤痕或污染，由于引入大量的金属离子和机械应力的损伤层大，晶片的后续工序（腐蚀）加工量大，腐蚀时间长，加工损耗大，硅片利用率相对较低。国内很多加工单位目前采用的研磨加工方式多为铸铁盘上面配碳化硅微粉磨料加水或者加磨削油润滑冷却来加工。这样在磨加工过程中很多研磨不掉的碳化硅粉和磨削下来的废料就会被压力挤到工件表面上造成工件表面发黑，后期清洗不掉和水污染。铸铁盘也会随着磨削加工工件一样被碳化硅磨料磨去厚度，后期需要频繁修磨铸铁盘的平行度。

本发明专利的目的是提供一种半导体硅片的研磨方法，采用双面研磨工艺对切割好的硅片进行研磨，通过改善研磨工艺（磨盘材质、研磨液、研磨压力及研磨转速等）来提高研磨片的质量；尤其是使用陶瓷盘代替铸铁盘，减少了金属离子的引入，可减少硅片的后续加工量，缩短了后续工序（腐蚀）时间，提高了生产效率，而且减少了硅片加工的损耗，提高了硅片的利用率。

技术实现要素：

本发明专利的目的是提供一种半导体硅片的研磨方法，采用双面研磨工艺对切割好的硅片进行研磨，通过改善研磨工艺（磨盘材质、研磨液、研磨压力及研磨转速等）来提高硅研磨片的质量。特别是使用陶瓷盘代替铸铁盘，减少了金属离子的引入，可减少硅片的后续加工量，缩短了后续工序（腐蚀）时间，提高了生产效率，而且减少了硅片加工的损耗，提高了硅片的利用率。

本发明的目的主要是通过以下技术方案来实现的：

本发明半导体硅片的研磨方法，使用双面研磨系统对硅片进行双面研磨加工时，利用游轮片将硅片置于双面研磨机中的上下磨盘之间，加入研磨液，调整研磨机的研磨压力、研磨转速，使硅片随着磨盘作相对的行星运动。其特征在于，所述的磨盘为al2o3陶瓷盘；所述的研磨液包含磨料、悬表面活性剂和去离子水；研磨压力控制在50kpa以下，优选为10-30kpa；研磨转速在100rpm以下，优选为30-60rpm。

前述的硅片的研磨方法，其特征在于，所述的磨盘采用的是陶瓷盘，其主要成分为al2o3，纯度99%以上。陶瓷材料由其化学键所决定、在室温下几乎不能产生滑移或位错运动，因而很难产生塑性变形。由于al2o3陶瓷材料的硬度及脆性大，通过微细磨粒的磨削加工，al2o3陶瓷盘可以在允许的时间内得到良好的加工表面。对陶瓷材料的研磨加工，磨料具有滚轧作用或微切削作用；使用的研磨料为al2o3颗粒，与陶瓷盘成分一致，磨盘与磨料能相互休整。使用陶瓷盘有以下优点：可以获得很高的精度和接近几何学形状的超光滑完美表面；适合于大批量生产；加工方法简单，设备投资少；加工损耗小。

目前，研磨工艺中使用的研磨机基本上都采用球磨铸铁的磨盘，在研磨过程中磨料会使铸铁磨盘不断损耗，大量的铁会进入到研磨液中，而硅片表面裸露着的新断的化学键，吸附在硅片表面，一般很难清洗下来，因而造成重金属fe污染。重金属杂质fe会对硅片造成最严重的重金属污染，降低氧化诱导生成层错的位错的形成势垒，会对器件失效造成极为严重的影响，大大降低芯片的良率。由于研磨引入大量的金属离子和机械应力的损伤层大，晶片的后续工序（腐蚀）加工量大，腐蚀时间长，加工损耗大，硅片利用率相对较低。

前述的硅片的研磨方法，其特征在于，所述的研磨液包含磨料、表面活性剂和去离子水等，各组分所占重量百分比为：磨料10%-30%、表面活性剂为0.5%-2.0%，其余为去离子水。所述研磨液磨料主要是al2o3微粉，粒度为0-20um，优化为3-10um；磨料粒径大于10um，研磨速率加快，但是加工粗糙度高、表面容易出现划伤，且加工损耗层也加深；磨料粒径小于3um，加工精度高，但研磨速率较慢，对设备和环境要求较高，增加制造成本。表面活性剂是非离子型表面活性剂，主要为脂肪醇聚氧乙烯醚或烷基醇酰胺；加入表面活性剂的主要目的是湿润磨料粒子与硅片表面，乳化研磨液内部组分，并在研磨过程中对硅片的研磨起到一定的润滑作用。

前述的硅片的研磨方法，其特征在于，所述的研磨压力控制在50kpa以下，优选为10-30kpa范围。施加压力的过程必须由小匀速增加，以使研磨浆料能够均匀分散。在稳定态的研磨压力下进行研磨，研磨时间约5-15min，在研磨结束前也需要慢慢将研磨压力降低。研磨压力太小，研磨速率太慢，生产效率太低，不利于成本控制；研磨速率随着研磨压力的增大而加快，但是压力太大容易造成硅片表面的机械损伤，会扩大研磨损伤，降低表面质量。

前述的硅片的研磨方法，其特征在于，所述的研磨转速控制在100rpm以下，优选为30-60rpm。一般说，研磨转速高，研磨速率快。研磨是速率和粗糙度并存，为减小界面缺陷，转速不宜过大。研磨转速小于30rpm时，研磨转速较低，研磨速率慢，表面粗糙度小，但生产效率低；研磨速率大于100rpm时，表面摩擦力加大，会形成界面缺陷。

本发明的有益效果在于。

采用双面研磨工艺，通过选用合适的磨盘、磨料，适当地控制研磨压力和研磨转速，所获得的硅研磨片表面无凹坑、亮点、刀痕、鸦爪、划伤、裂纹、崩边及沾污，表面光洁度良好；表面机械加工精度：ttv≤2um;sfqr≤50nm;ra≤100nm。

本发明使用了陶瓷盘代替铸铁盘，减少了金属离子的引入，尤其是fe离子的引入，从而减少了后续加工（腐蚀）的加工量。按本发明方法获得的硅研磨片的腐蚀时间仅为3-6min，与常规的6-12min相比，腐蚀时间明显缩短，提高了生产效率；腐蚀的厚度去除量为10-30um，与常规的30-50um相比，加工损耗大量减少，提高硅片的利用率。

本发明使用陶瓷盘代替铸铁盘，减少了磨盘的修盘次数，铸铁盘需要频繁地修盘，而陶瓷盘不需要。

附图说明

图1为本发明所采用双面研磨技术的研磨系统结构图。

图2为本发明所采用双面研磨技术的磨片示意图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，按工艺步骤进一步详细描述本发明。

研磨液的配制：按照发明内容比例分别称取磨料、表面活性剂和去离子水，对浆料进行搅拌5-20min。

对陶瓷盘、行星片进行清理和清洗。

将待研磨的硅片放入每一个行星片的孔中，在放的过程中硅片正面朝下并用手旋转按压硅片把硅片与下磨盘接触面的空气排净，以确保所有硅片都在孔中正常转动不会滑跑。

按发明内容选定研磨工艺参数，包括研磨压力和研磨转速，利用双面研磨机进行研磨。

当研磨结束后，小心的取出所有硅片，并放到溢流槽内的片架上溢流。

利用超声清洗机对硅片进行清洗。

对清洗后的硅片进行检验：在暗室中利用显微镜检查有无划伤、鸦爪、刀痕、裂纹等不良；利用ade公司生产的adeafs6330测量硅片表面的几何参数；用颗粒度检测仪检验表面洁净度。

对合格的硅研磨片进行腐蚀。

对腐蚀后的硅片进行清洗和检验。

实施例1

采用cz法培育8英寸p型电阻率为50ωcm的单晶硅棒，在通过切片、倒角、清洗后，采用双面研磨技术对硅片进行研磨，按照本发明内容阐述的方法选择配制研磨液以备用，其中al2o3微粉粒度为10um。本发明在室温环境下进行，磨盘材质为球磨铸铁。

按照研磨工艺流程，将待研磨的硅片置于挖有与晶片相同大小孔洞承载片中，再将此承载片置于两个磨盘之间，使用双面研磨机（日本speedfam公司产）进行研磨。调整研磨机使得研磨压力渐渐升至25kpa,并控制在25kpa，控制研磨转速为55rpm，研磨时间8min。完成对晶片的研磨后，用清洗机进行清洗，对清洗后的硅片进行检验：发现硅研磨片表面无凹坑、亮点、刀痕、鸦爪、划伤、裂纹、崩边及沾污，表面光洁度良好；研磨后硅片表面机械加工精度：ttv≤2um;sfqr≤50nm;ra≤100nm。

采用常规的腐蚀工艺对所获得的研磨片进行腐蚀，以去除硅片表面的机械应力损伤层和金属离子等杂质，腐蚀时间为4min；腐蚀的厚度去除量为20um。

对比例1

采用cz法培育8英寸p型电阻率为50ωcm的单晶硅棒，在通过切片、倒角、清洗后，采用双面研磨技术对硅片进行研磨，按照实施例1的方法选择配制研磨液以备用，其中al2o3微粉粒度为10um。本发明在室温环境下进行，磨盘材质为al2o3陶瓷。

按照研磨工艺流程，将待研磨的硅片置于挖有与晶片相同大小孔洞承载片中，再将此承载片置于两个磨盘之间，使用双面研磨机（日本speedfam公司产）进行研磨。调整研磨机使得研磨压力渐渐升至25kpa,并控制在25kpa，控制研磨转速为55rpm，研磨时间8min。完成对晶片的研磨后，用清洗机进行清洗，对清洗后的硅片进行检验：发现硅研磨片表面无凹坑、亮点、刀痕、鸦爪、划伤、裂纹、崩边及沾污，表面光洁度良好；研磨后硅片表面机械加工精度：ttv≤5um;sfqr≤0.1um;ra≤200nm。

采用常规的腐蚀工艺对所获得的研磨片进行腐蚀，以去除硅片表面的机械应力损伤层和金属离子等杂质，腐蚀时间为10min；腐蚀的厚度去除量为40um。