CN102492947A - 一种低粗糙度硅片碱腐蚀工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低粗糙度硅片腐蚀工艺。其步骤是：（A）在高压水浴锅内配制碱腐蚀液后，设定准备温度为115℃至130℃；（B）将装有研磨片的片蓝浸入碱腐蚀溶液中，关闭高压水浴锅上盖，加压至180-260Kpa，升温至145℃至160℃；（C）碱腐蚀1至10分钟后，提升机械手；（D）打开气阀进行放气至标准大气压后，打开高压水浴锅上盖，下载片蓝，浸入稀盐酸溶液内浸泡；浸泡后再进行快排漂洗、清洗、甩干、送检验；（E）利用热水箱对高压水浴锅进行补水，保持腐蚀液浓度配比，加热至准备温度。通过调整碱腐蚀的原始工艺，使碱腐蚀系统具备生产粗糙度在1um以下硅片的能力，为下一道抛光提供了更好的表面质量，从而满足市场对器件基底材料的要求。
Description
技术领域
本发明涉及单晶硅片生产方法，特别涉及一种低粗糙度硅片碱腐蚀工艺。
背景技术
随着功率电子器件的技术的不断进步，尤其是节能型功率器件的广泛应用，带动了功率器件用基底材料硅晶圆抛光片的长足发展。硅晶圆的生产过程从硅单晶棒开始，一般主要包括切片、倒角、磨片、腐蚀、背处理、抛光、清洗到最终取得完美镜面的抛光片结束，期间，从腐蚀片开始对硅片表面形貌及环境的颗粒度都有较高的要求。这是因为完美镜面的获得不是依靠抛光一个工序可以实现的，硅片研磨后表面的损伤层较厚，需要经过化学腐蚀去除，化学腐蚀本身也是一个化学抛光的过程，利用化学腐蚀可以快速去除硅片表面的损伤层，获得具有一定光泽度的表面。
硅片的腐蚀工艺主要包括酸腐蚀和碱腐蚀工艺。酸腐蚀工艺使用HF、硝酸、冰乙酸的混合溶液进行腐蚀，三种酸都是危险化学品，尤其是HF对人体骨骼器官伤害很大，而且工艺过程中会产生氮的氧化物、HF等有毒气体，伤害人的健康；另外酸腐蚀工艺为各向同性腐蚀，往往几何参数的控制不容易把握。而碱腐蚀工艺，反应相对的温和，不产生有毒有害气体，而且相对酸腐蚀成本较低；另外，由于碱腐蚀的“自限制过程”，其几何参数较容易把握。所谓“自限制过程”就是碱能到达的硅片任何损伤区域会快速腐蚀，然后当达到无损伤表面时，反应几乎停止；当碱与硅片接触时间更长时，反应速率几乎趋向于零。硅片碱腐蚀的方法是利用碱性氢氧化物如氢氧化钾（KOH）与硅片反应，腐蚀硅片表面，达到去除磨片损伤层的目的。KOH与硅片的基本反应如下：Si+ 2H2O + 2KOH → 2H2 + Si(OH)2(O)2 +2K+。
但遗憾的是，通常碱腐片表面的粗糙度较差，从而可能对后道抛光造成不利影响。根据相关资料和以往的实践经验，碱腐片表面的粗糙度随着温度的升高而降低，这是因为经研磨等机械加工后的硅片表面存在着各种缺陷以及损伤，这些缺陷和局部损伤引起的应力场会使该处的腐蚀速率加快，损伤处于完整面的交界处便会形成速率差，从而使硅片变得粗糙，而当温度升到一定值后，反应速率加快，使得表面缺陷和损伤引起的速率差变小；另一方面，同样的道理，浓度适中的碱液获得较快的腐蚀速率，从而获得较佳的粗糙度，这是因为提供越多电离的[OH-]才能使反应更快的进行，KOH溶液浓度过高或过低都会抑制硅片的腐蚀。
随着半导体行业加工精度的不断提高，材料的节约、器件的精密化都对抛光片提出了更高的要求，从而要求前道的腐蚀硅片要有更高的表面形貌。
发明内容
本发明的目的是研发一种低粗糙度硅片腐蚀工艺。本工艺根据碱腐蚀速率随温度、[OH-]电离浓度升高的原理，利用自主研发的高压水浴锅提高腐蚀液的温度及电离度来提高碱腐蚀反应速率，从而达到优化碱腐蚀片粗糙度的目的。
本发明采取的技术方案是：一种低粗糙度硅片碱腐蚀工艺，其特征在于，包括如下步骤：
（A）、在高压水浴锅内配制碱腐蚀液，升温至准备温度；设定准备温度为115℃至130℃；
（B）、利用机械手将装有研磨片的片蓝浸入高压水浴锅内碱腐蚀溶液中，关闭高压水浴锅上盖，开始加压，升温，加压至180-260Kpa，升温至145℃至160℃；
（C）、碱腐蚀1至10分钟后，然后提升机械手；
（D）、打开气阀进行放气至标准大气压后，打开高压水浴锅上盖，下载片蓝，浸入稀盐酸溶液内浸泡；浸泡后再进行快排漂洗、清洗、甩干、送检验；
（E）、利用热水箱对高压水浴锅进行补水，保持腐蚀液浓度配比，加热至准备温度。
本发明的优点及效果：低粗糙度硅片的碱腐蚀工艺适用于生产3-6英寸的单晶硅片晶圆。由于碱腐蚀液在高压水浴锅中加热，升高了碱腐蚀液的沸点，使碱腐蚀液在160℃以下仍保持液态；另外随着温度的提高，碱在水中的溶解度随之提高，电离出更多的[OH-]；更高的反应温度和更多电离的[OH-]加快了腐蚀速度，使得表面缺陷和损伤引起的速率差变小，进而获得较佳的粗糙度。通过调整碱腐蚀的原始工艺，使碱腐蚀系统具备生产粗糙度在1um以下硅片的能力，为下一道抛光工艺提供了更好的表面质量，从而满足市场对器件基底材料的要求。
附图说明
图1为本工艺采用的高压水浴锅原理示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明：
本发明配制碱腐蚀液的溶质为KOH或NaOH，溶剂为去离子水，KOH或NaOH所占碱腐蚀液的重量百分比范围为30%-60%。稀盐酸溶液的溶质为HCl（盐酸），溶剂为去离子水，HCl所占稀盐酸溶液的重量百分比范围为10%-20%。
参照图1，高压水浴锅锅体材质为不锈钢，壁厚15mm，锅体内的加热板与温度控制系统连接，锅体内的气口通过气阀与气泵连接，与片蓝连接的机械手从锅体进入锅体内，通过活塞与锅盖形成密封。
实施例1：下面对5英寸375μm厚的区熔硅双面研磨硅片的碱腐工艺过程进行详细描述：
1)、选取5英寸掺P<111>晶向375μm厚的区熔硅研磨片作为实施对象，电阻率为10-30Ω·cm。
2）、用固体KOH（分析纯）及去离子水在高压水浴锅内配制占重量百分比为47.3%的KOH水溶液。
3）、设定准备温度为120℃，打开加热器开关，升温至准备温度。
4）、将装有研磨片的片蓝装载入高压水浴锅的机械手中，一次装载2篮50片，关闭高压水浴锅上盖。
5）、加压至240Kpa；升温至153℃。
6）、下沉机械手将片蓝浸入腐蚀液，3分24秒进行碱腐蚀，然后提升机械手。
7）、打开气阀进行放气至标准大气压。
8）、打开高压水浴锅上盖，下载片蓝；利用95℃的热水箱对高压水浴锅进行补水，保持腐蚀液浓度配比，加热至准备温度。
9）、对硅片进行快排漂洗，工艺参数为：
a.冲洗次数：1次；
b.排水延迟时间：0秒；
c.排水时间：10秒；
d.排液延迟时间：10秒；
e.注水时间：1分10秒。
10)、将硅片浸入稀盐酸溶液内浸泡，工艺参数为；盐酸温度：室温；盐酸浓度：15% （盐酸所占稀盐酸溶液的重量百分比）；浸泡时间：15分钟。
11）、用硅片清洗剂清洗硅片，甩干。
12）、对实施例1中的硅片进行检验，计算得到去除量平均为25.77μm，表1为实施例中的硅片粗糙度。
表1：5英寸区熔硅碱腐片粗糙度
| Ra（μm） | |
| 传统碱腐片 | >1 |
| 实施例1碱腐片 | 0.481 |
通过表1可以看出：采取本工艺加工的区熔硅粗糙度相对常规碱腐蚀工艺的粗糙度有明显降低，其碱腐片粗糙度Ra达到了小于0.5μm，远远优于传统工艺。
实施例2：下面对4英寸410μm厚的区熔硅双面研磨硅片的碱腐工艺过程进行详细描述：
1)、选取4英寸掺P<111>晶向410μm厚的区熔硅研磨片作为实施对象，电阻率为5-10Ω·cm。
2）、用固体NaOH（分析纯）及去离子水在高压水浴锅内配制占重量百分比为49.5%的KOH水溶液。
3）、设定准备温度为120℃，打开加热器开关，升温至准备温度。
4）、将装有研磨片的片蓝装载入高压水浴锅的机械手中，一次装载2篮50片，关闭水浴锅上盖。
5）、加压至250Kpa；升温至157℃。
6）、下沉机械手将片蓝浸入腐蚀液，2分54秒进行碱腐蚀，然后提升机械手。
7）、打开气阀进行放气至标准大气压。
8）、打开高压水浴锅上盖，下载片蓝；利用95℃的热水箱对高压水浴锅进行补水，保持腐蚀液浓度配比，加热至准备温度。
9）、对硅片进行快排漂洗，工艺参数为：
a.冲洗次数：1次；
b.排水延迟时间：0秒；
c.排水时间：10秒；
d.排液延迟时间：10秒；
e.注水时间：1分10秒。
10)、将硅片浸入稀盐酸溶液内浸泡，工艺参数为；
盐酸温度：室温；盐酸（中文）浓度：15%（盐酸所占稀盐酸溶液的重量百分比）；浸泡时间：15分钟。
11）、用硅片清洗剂清洗硅片，甩干。
12）、对实施例2中的硅片进行检验，计算得到去除量平均为26.58μm，表2为实施例中的硅片粗糙度。
表2：4英寸区熔硅碱腐片粗糙度
| Ra（μm） | |
| 传统碱腐片 | >1 |
| 实施例2碱腐片 | 0.443 |
通过表2可以看出：采取本工艺加工的区熔硅片粗糙度相对常规碱腐蚀工艺的粗糙度有明显降低，其碱腐片粗糙度Ra达到了小于0.5μm，远远优于传统工艺。
Claims (3)
1.一种低粗糙度硅片碱腐蚀工艺，其特征在于，包括如下步骤：
（A）、在高压水浴锅内配制碱腐蚀液，升温至准备温度；设定准备温度为115℃至130℃；
（B）、利用机械手将装有研磨片的片蓝浸入高压水浴锅内碱腐蚀溶液中，关闭高压水浴锅上盖，开始加压，升温，加压至180-260Kpa，升温至145℃至160℃；
（C）、碱腐蚀1至10分钟后，然后提升机械手；
（D）、打开气阀进行放气至标准大气压后，打开高压水浴锅上盖，下载片蓝，浸入稀盐酸溶液内浸泡；浸泡后再进行快排漂洗、清洗、甩干、送检验；
（E）、利用热水箱对高压水浴锅进行补水，保持腐蚀液浓度配比，加热至准备温度。
2.如权利要求1所述的一种低粗糙度硅片碱腐蚀工艺，其特征在于：所述配制碱腐蚀液的溶质为KOH或NaOH，溶剂为去离子水，KOH或NaOH所占碱腐蚀液的重量百分比范围为30%-60%。
3.如权利要求1所述的一种低粗糙度硅片碱腐蚀工艺，其特征在于：所述稀盐酸溶液的溶质为HCl，溶剂为去离子水，HCl所占稀盐酸溶液的重量百分比范围为10%-20%。
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