CN100481339C - 一种控制硅单晶切磨片残留损伤层厚度的方法 - Google Patents

Abstract

一种控制硅单晶切磨片残留损伤层厚度的方法，它是利用硅单晶切磨加工后自身形成的损伤层，对其进行控制腐蚀(包括碱腐蚀、酸腐蚀或酸碱混合腐蚀)或控制抛光加工，通过控制腐蚀量或抛去量的工艺条件，去除该硅单晶片部分的损伤层厚度而保留一定的残留损伤层厚度，使硅单晶片具有外吸杂能力，本发明是一种新的很有效的外吸杂方法。该方法简便，去除了制备传统具外吸杂能力(如采用背面喷砂)硅单晶抛光片工艺流程中的损伤加工工序，节省了材料消耗，缩短加工时间，具有很大的经济效益。

Description

一种控制硅单晶切磨片残留损伤层厚度的方法

技术领域

本发明涉及一种利用硅单晶切磨加工后自身产生的损伤层，控制去除部分损伤层厚度而保留一定残留损伤层厚度的方法。

背景技术

一般CZ(Czochralski)硅单晶片，往往都存在生长环境引入的杂质污染及热应力造成的缺陷，同时后续加工也会引入有害的杂质和二次缺陷，这些杂质和缺陷会影响器件的电性能，并导致成品率下降。吸杂就是将有害杂质从硅单晶片有源区(器件制造的区域)或其它区域吸收到硅片的特定区域，从而获得硅片有源区清洁的一种方法。吸杂被广泛应用于大规模和超大规模集成电路制造中，没有吸杂能力的硅单晶片是没有市场的。吸杂分为外吸杂、内吸杂及化学吸杂，外吸杂是在硅单晶片背面引入应力或损伤，在热处理后诱发二次缺陷，吸引金属杂质在这些缺陷处沉积，而硅单晶片正表面形成洁净区，硅单晶片背面引入应力或损伤的主要方法有：金属膜沉积、多晶硅沉积、磷扩散吸杂、离子注入、激光照射、背面喷砂等方法；内吸杂是利用硅片中氧的特性，热处理后硅片内部形成氧沉淀并诱发二次缺陷吸引金属沉积，而表面形成洁净区。化学吸杂是借由金属杂质与导入含氯的气氛的化学反应来消除硅单晶片表面附近杂质，从而在硅单晶片表面形成一定厚度的洁净区。

器件工艺的不断发展，对硅单晶片的几何尺寸和表面质量的要求也越来越严。制备传统硅单晶抛光片全部工艺流程如下所示：

单晶生长→切片→倒角→磨片→清洗→腐蚀(或抛光)去除全部损伤层→清洗→正常抛光→清洗→包装。

制备传统具外吸杂能力(如采用背面喷砂)硅单晶抛光片的全部工艺流程如下所示：

单晶生长→切片→倒角→磨片→清洗→腐蚀(或抛光)去除全部损伤层→清洗→背面喷砂→清洗→正常抛光→清洗→包装。

腐蚀或抛光是硅单晶片加工中很重要的一道工序。常用的腐蚀工艺有干法—如等离子腐蚀，或湿法—如化学腐蚀法。化学腐蚀可采用两种腐蚀方式：(A)酸性腐蚀，是最普遍采用的。酸性腐蚀液由硝酸、氢氟酸及具有缓冲作用的酸组成。(B)碱性腐蚀，碱性腐蚀液由KOH或NaOH加纯水组成，碱性腐蚀的硅片平整度和TTV(总厚度变化)优于酸腐蚀。抛光分为有蜡抛光和无蜡抛光两种方式，有蜡抛光的硅片平整度要优于无蜡抛光。

在制备传统硅单晶抛光片工艺流程中，腐蚀或抛光工序是去除全部损伤层，为了使硅单晶片具有吸杂能力，必须特意加入如背面喷砂(利用喷砂损伤吸杂)这样的外吸杂加工，这样就使工序复杂，加工时间长，成本增加，很不经济。

发明内容

本发明提供一种控制硅单晶切磨片残留损伤层厚度的方法。该方法是对制备传统硅单晶抛光片工艺的改进，即将传统工艺中腐蚀或抛光去除全部损伤层改为控制腐蚀或控制抛光去除部分损伤层厚度，而保留一定残留损伤层厚度。即利用硅单晶切磨加工后自身形成的损伤层，对其进行控制腐蚀(包括碱腐蚀、酸腐蚀或酸碱混合腐蚀)或控制抛光加工，通过控制腐蚀量或抛光量的工艺条件，去除该硅单晶片部分损伤层厚度，而保留能使硅单晶片具有外吸杂能力要求的残留损伤层厚度。

本发明方法中控制腐蚀工艺采用常规的操作方法。控制腐蚀工艺是将进行切磨加工后的硅单晶片在一定温度下浸泡在一定浓度的腐蚀液(包括碱腐蚀、酸腐蚀或酸碱混合腐蚀)中一定时间，以进行腐蚀反应，控制腐蚀去除一定的损伤层厚度而保留一定的残留损伤层厚度，腐蚀反应结束后，用弱酸或弱碱清洗剂清洗，再用清水漂洗后甩干。

为了达到硅片表面保留一定的残留损伤层厚度，对用PWA-12研磨砂研磨的硅单晶片，碱腐蚀加工所采用的工艺条件如下：

选自氢氧化钾或氢氧化钠等配制的碱溶液浓度为20～60％，腐蚀温度50～120℃，腐蚀时间为20～300秒，腐蚀反应结束后，用冰醋酸或柠檬酸等的弱酸清洗剂，浓度为2～12％清洗，清洗温度50～80℃，超声时间4～10分钟，水漂洗时间4～10分钟。

酸腐蚀加工的工艺条件：混酸溶液由浓度为69～72％硝酸、浓度为48.8～49.2％氢氟酸和具有缓冲作用的酸(浓度≥99.7％冰醋酸或浓度为≥98％磷酸)以体积比为0.5～2：0.5～2：0.5～2组成，腐蚀温度25～50℃，腐蚀时间2～120秒。用弱碱清洗剂(如04-K，氨水)清洗，浓度4～12％，清洗温度40～80℃，超声时间2～8分钟，水漂洗时间4～10分钟。

酸碱混合腐蚀工艺的条件：先进行碱腐蚀去除一定厚度损伤层，再进行酸腐蚀去除一定厚度损伤层：碱溶液(选自氢氧化钾或氢氧化钠等)浓度为20～60％；腐蚀温度50～120℃；腐蚀时间为20～300秒；弱酸清洗剂(柠檬酸、冰醋酸等)浓度2～12％；清洗温度50～80℃；超声时间4～10分钟，水漂洗时间4～10分钟。混酸由浓度为69～72％硝酸、浓度为48.8～49.2％氢氟酸和具有缓冲作用的酸(浓度≥99.7％冰醋酸或浓度为≥98％磷酸)以体积比为0.5～2：0.5～2：0.5～2组成，腐蚀温度25～50℃，腐蚀时间2～120秒。弱碱清洗剂(如氨水，04-K)，浓度4～12％，温度40～80℃，超声时间2～8分钟，水漂洗时间4～10分钟。

本发明方法中控制抛光工艺也是采用常规的操作方法。控制抛光工艺是将进行切磨加工后的硅单晶片平放装在抛光机的上方抛头上，下方抛盘上复盖着一层纤维布、抛光浆流入纤维布上，抛头压在下方对应的抛盘上。抛光时抛盘作旋转运动。抛光时施加压力，在压力作用下，硅单晶片在抛盘上磨擦，又由于抛光浆的化学反应作用，硅片承受磨擦抛光，这样在抛光的硅单晶片上进行一个物理化学过程，控制抛光一定时间后，去除一定的损伤层厚度而保留一定的残留损伤层厚度。

控制抛光的工艺条件：抛光压力1000～3000g/cm²，加压抛光时间3-15分钟，抛盘转速30-50转/分，抛光温度30-50℃，抛光浆流量1-10升/分，常压抛光时间1-3分钟。

不管采用何种方式，被腐蚀或抛光后硅片表面残留损伤层的厚度是有要求的。这个厚度太大将会产生大量不需要的晶体缺陷，并且容易引起杂质沾污；如果这个厚度太小，那么吸杂作用就会降低。因此，得到恰当的残余损伤层厚度是非常重要的。

本发明采用控制腐蚀或控制抛光实现保留硅片表面一定厚度的残留损伤层：在控制腐蚀情况下，可严格控制腐蚀液的浓度、腐蚀温度和腐蚀时间实现控制硅单晶片残留损伤层厚度。在控制抛光情况下，可严格控制抛盘转速、抛光压力、抛光浆流量和抛光时间。由于选用研磨砂粒度不同，通常切磨片加工后形成的损伤层厚度也不同，对于用PWA-12研磨砂研磨的硅单晶片，其损伤层厚度约为12μm。为了说明不同残余损伤层厚度对吸杂效果的影响，对这种研磨片进行控制腐蚀(或控制抛光)加工，而另一面进行抛光加工，再对抛光面依次做热氧化处理和腐蚀雾检查。检查结果如表1所示“不同残余损伤层厚度的吸杂效果”。热氧化处理和腐蚀雾检查是判断吸杂效果好坏的简便有效方法，“有雾”就表明没有吸杂效果，反之，“无雾”就表明有吸杂效果。

表1 不同残余损伤层厚度的吸杂效果

 

控制腐蚀(或控制抛光)去除量(μm)	残留损伤层厚度(μm)	热氧化后腐蚀雾检查结果
			1.2	11.2	无雾
2.4	10	无雾
			3.1	9.3	无雾
4.3	8.1	无雾
			5	7.4	无雾
5.9	6.5	无雾
			6.9	5.5	无雾
7.9	4.5	有雾
			9.2	3.2	有雾

注：雾是由硅抛光片表面聚集的金属被腐蚀液腐蚀形成的密集小坑组成的，看起来表面模糊象有一层雾状物。

实验结果表明：当残留损伤层厚度大于8μm时，虽有吸杂效果，但无法去除硅片表面较脏的损伤层，不利于正常抛光工艺；当残留的损伤层厚度小于4μm时，由于损伤层厚度不够，硅片的外吸杂效果不明显，只有当残留损伤层在6～7μm时，既可以保证硅片的外吸杂效果又可以尽量减少硅片的沾污。

本发明控制硅单晶切磨片残留损伤层厚度的方法，它不需要在硅片正常加工中特意引入新的如前所述的某一种外吸杂加工，如背面喷砂。它是利用硅单晶片通常切磨加工中形成的损伤层，使用通常的腐蚀或抛光加工工艺，通过控制腐蚀或控制抛光工艺条件，去除一定厚度的损伤层而保留一定厚度的残留损伤层，使硅片具有外吸杂能力，是一种新的很有效的外吸杂方法。因此本发明不仅方法简便，而且去除了通常制造硅单晶片工艺流程中的损伤加工工序，节省了材料消耗，缩短硅单晶片加工时间，具有很大的经济效益。

具体实施方式

实施例1 硅单晶片通过控制碱腐蚀工艺达到保留一定厚度的残留损伤层试验

取一个直径为125mm的轻掺P型<111>硅单晶片，用PWA-12研磨砂(生产商：Fujimi America Inc)研磨后，其损伤层厚度约为12μm。对该硅片进行控制碱腐蚀加工，将其浸在浓度为50％的氢氧化钾溶液中，腐蚀温度100℃，腐蚀时间2分钟，腐蚀反应结束后，用浓度为6％的冰醋酸进行清洗，清洗温度70℃，超声时间5分钟，水漂洗5分钟后甩干，最后得残留的损伤层厚度为6.5μm的硅单晶片，控制腐蚀去除量为5.9μm，热氧化处理和腐蚀雾检查结果表明有吸杂效果(参见表1)。

实施例2 硅单晶片通过控制酸腐蚀工艺达到保留一定厚度的残留损伤层试验

取一个直径为125mm的轻掺P型<111>硅单晶片，用PWA-12研磨砂研磨后，其损伤层厚度约为12μm。对该硅片进行控制酸腐蚀加工，将其浸泡在混酸溶液中，混酸溶液由浓度为69～72％硝酸、浓度为48.8～49.2％氢氟酸和≥99.7％的冰醋酸组成，它们的体积比为2：1∶1，腐蚀温度30℃，腐蚀时间6秒，腐蚀反应结束后，用浓度为4％的04-K(Ultraclean 04-k，生产商：Process Research Products)进行清洗，清洗温度60℃，超声时间5分钟，水漂洗5分钟后甩干，最后得残留的损伤层厚度为7.4μm的硅单晶片，控制腐蚀去除量为5μm，热氧化处理和腐蚀雾检查结果表明有吸杂效果(参见表1)。

实施例3 硅单晶片通过控制酸碱混合腐蚀工艺达到保留一定厚度的残留损伤层试验

取一个直径为125mm的轻掺P型<111>硅单晶片，用PWA-12研磨砂研磨后，其损伤层厚度约为12μm。对该硅片进行控制酸碱混合腐蚀加工，先进行碱腐蚀去除一定厚度损伤层，再进行酸腐蚀去除一定厚度损伤层。先将该硅片进行控制碱腐蚀，将其浸泡在浓度为40％的氢氧化钠溶液中，腐蚀温度70℃，腐蚀时间1分钟，碱腐蚀结束后，用浓度为10％的柠檬酸进行清洗，清洗温度60℃，超声时间7分钟，水漂洗8分钟后甩干。再浸入混酸溶液中，混酸溶液由浓度为69～72％硝酸、浓度为48.8～49.2％氢氟酸和≥98％的磷酸组成，它们的体积比为2∶0.5∶1.5，腐蚀温度25℃，腐蚀时间30秒，腐蚀结束后，用浓度为10％的氨水进行清洗，清洗温度40℃，超声时间7分钟，水漂洗7分钟后甩干，最后得残留的损伤层厚度为6.4μm。

实施例4 硅单晶片通过控制抛光工艺达到保留一定厚度的残留损伤层试验

取一个直径为125mm轻掺P型<111>硅单晶片，用PWA-12研磨砂研磨后，其损伤层厚度约为12μm。对该硅片进行控制抛光加工，将该硅片平放装在抛光机的上方抛头上，下方抛盘上复盖着一层纤维布，将抛光浆(型号3900RS，生产商：Dupont Air Products Mano MaterialsL.L.C)以流量9升/分流入纤维布上，抛头压在下方对应的抛盘上，抛光时抛盘作旋转运动，抛盘转速为50转/分，抛光时施加压力2500g/cm²，在压力作用下，硅片在抛盘上摩擦抛光，抛光温度为40℃，加压抛光时间10分钟后，压力逐渐减小到常压，再在常压下抛光2分钟，抛光结束后，用清水冲洗，甩干，最后得残留的损伤层厚度为6.8μm。

Claims (4)

1.一种控制硅单晶切磨片残留损伤层厚度的方法，利用硅单晶切磨加工后自身形成的损伤层，对其进行加工，去除硅单晶片部分的损伤层厚度而保留能使硅片具有吸杂能力要求的残留损伤层厚度，其特征在于对其进行控制腐蚀或控制抛光加工：

所述控制腐蚀是采用碱腐蚀、酸腐蚀或酸碱混合腐蚀加工，腐蚀工艺采用常规的操作：

碱腐蚀工艺：碱溶液浓度为20～60％，腐蚀温度50～120℃，腐蚀时间20～300秒，弱酸清洗剂浓度为2～12％，清洗温度50～80℃，超声时间4～10分钟，漂洗时间4～10分钟；

酸腐蚀工艺：混酸溶液由浓度为69～72％硝酸、浓度为48.8～49.2％氢氟酸和具有缓冲作用的酸以体积比为0.5～2∶0.5～2∶0.5～2组成，腐蚀温度25～50℃，腐蚀时间2～120秒，弱碱清洗剂氨水浓度为4～12％，清洗温度40～80℃，超声时间2～8分钟，漂洗时间4～10分钟；

酸碱混合腐蚀工艺：先采用上述碱腐蚀工艺，再采用上述酸腐蚀工艺，

所述控制抛光工艺采用常规的操作，控制抛光的工艺条件：抛光压力1000～3000g/cm²，加压抛光时间3-15分钟，抛盘转速30-50转/分，抛光温度30-50℃，抛光浆流量1-10升/分，常压抛光时间1-3分钟。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述碱腐蚀工艺中碱溶液是选用氢氧化钾或氢氧化钠配制。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述碱腐蚀工艺中弱酸清洗剂是选自冰醋酸或柠檬酸。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述酸腐蚀工艺中具有缓冲作用的酸选自冰醋酸或磷酸。