CN114346924B - 一种用于键合工艺的硅衬底抛光片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于键合工艺的硅衬底抛光片的制备方法，包括以下步骤：(1)采用磁场拉晶法进行拉晶，磁场类型为水平磁场，磁场强度为1000‑5000高斯，磁场形状为马鞍形，晶转为5‑15rpm，埚转为0.1‑3rpm；控制晶体生长时液面位置+/‑0.5mm波动范围；(2)进行滚磨及线切割；(3)进行倒角轮廓设计与加工，进行四次倒角，分别使用800#导轮粗倒2次，1000‑3000#导轮精倒2次，使用非对称倒角，轮廓幅长X1大于600μm，X2小于300μm；(4)进行研磨腐蚀，先进行碱腐蚀，再进行酸腐蚀，碱腐蚀去除量控制在5‑15μm，酸腐蚀去除量控制在15‑20μm；(5)进行抛光，抛光转速控制在30‑50rpm，压力控制在300‑500kg，化学液浓度控制在1∶15‑1∶30，pH值控制在9‑13，蜡膜厚度控制在1‑3μm；(6)进行清洗检测；(7)进行边缘形状评估。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于键合工艺的硅衬底抛光片的制备方法，属于半导体材料制造技术领域。
背景技术
SOI全名为Silicon On Insulator，是指硅晶体管结构在绝缘体之上的意思，原理就是在硅晶体管之间，加入绝缘体物质，可使两者之间的寄生电容比原来的少上一倍。优点是可以较易提升时脉，并减少电流漏电成为省电的IC，在工艺上还可以省略部分光掩膜以节省成本。此外，在SOI晶圆(SOI wafer)本身衬底的阻抗值的部分也会影响到元件的表现，因此也有公司在衬底上进行阻抗值的调整，达到射频元件(Radio frequency component、RF component)特性的提升。SOI可防止电子流失，减少有害的电气效应，而且它的工作温度可高达300℃，减少过热的问题。
SOI制程中需要将晶片与其他材料相互键合，两枚晶片的贴合程度会对键合效果产生显著影响。故此键合工艺用衬底硅片不止需要有极佳的平坦度，且需要衬底厂家针对硅片的近边缘形状进行评价和管控。目前我国半导体材料界缺乏硅片近边缘形状的测试和评价的相关标准，对键合工艺用硅衬底的研发和产业化造成不利局面。目前，SOI用硅衬底的主要供应商为Wacker、MEMC等国外厂商，国内对于该技术的掌控尚属空白，国内对于该类产品的研发起步晚，而且SOI制程的验证周期长，国内硅衬底厂商想要突破该技术，打入国际市场，难度很大。
SOI器件具有高运行速度、低压低功耗特性，同时耐高温高压，可以应用于恶劣环境，可广泛应用于微处理器、高速通信以及便携智能设备领域，逐渐受到市场的认可和追捧，市场需求快速增加。因此，对硅抛光片的生产流程工艺进行优化，制备出符合SOI器件特殊要求的硅抛光片迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于键合工艺的硅衬底抛光片的制备方法，有效抑制晶体微缺陷，提高硅抛光片的几何参数精密度，使其能够完美匹配键合工艺。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于键合工艺的硅衬底抛光片的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)采用磁场拉晶法进行拉晶，进行磁场控制和液位控制，控制晶体生长时液面位置+/-0.5mm波动范围；
(2)进行滚磨及线切割；
(3)进行倒角轮廓设计与加工，进行四次倒角，分别使用800#导轮粗倒2次，1000-3000#导轮精倒2次，使用非对称倒角，轮廓幅长中，正面斜边长度X1大于600μm，背面斜边长度X2小于300μm；
(4)使用混合腐蚀工艺进行腐蚀；
(5)进行抛光，抛光转速控制在30-50rpm，压力控制在300-500kg，化学液浓度控制在1∶15-1∶30，pH值控制在9-13，蜡膜厚度控制在1-3μm；
(6)进行清洗检测；
(7)进行边缘形状评估。
优选地，在所述步骤(1)中，磁场类型为水平磁场，磁场强度为1000-5000高斯，磁场形状为马鞍形，晶转为5-15rpm，埚转为0.1-3rpm。
优选地，在所述步骤(4)中，先进行碱腐蚀，再进行酸腐蚀，碱腐蚀去除量控制在5-15μm，酸腐蚀去除量控制在15-20μm，总腐蚀去除量控制在20-35μm。
优选地，在所述步骤(7)中，通过收集ADE几何参数测试设备的原始数据，抓取特定半径位置的厚度数据，在该特定半径位置进行360度圆周数值拟合并计算平均值，通过该平均值预测比所述特定半径位置更靠近边缘的半径位置厚度平均值，将预测值与相应半径位置实测厚度值作差，计算得到ERO(边缘曲率滚降)数据，如果ERO数值为0，表示预测值与实际值相符，硅片边缘平坦；ERO数值为正，表示实测厚度比预测厚度小，硅片边缘有塌陷；ERO数值为负，表示硅片边缘翘起；ERO数值越小，表示硅片边缘越翘。
本发明的优点：
1、本发明突破了国内制备键合工艺用硅衬底抛光片的技术壁垒，解决了晶体微缺陷控制、硅片几何参数精密控制的技术难题。通过此制备方法，研制出了晶体微缺陷极少、几何参数高度精密，并能够完美匹配键合工艺用的硅衬底抛光片。
2、本发明所使用的磁场拉晶技术，能精确控制单晶的氧含量分布和电阻率分布，同时能有效抑制COP等微缺陷的产生。
3、本发明所使用的近边缘形状控制方法，能完美的匹配SOI制程使用的键合工艺。
4、本发明使用的360度圆周数值拟合计算ERO，能够较为精确的评估硅片的近边缘形状。
附图说明
图1为本发明的键合工艺用硅衬底抛光片制备工艺流程。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
本发明所提供的键合工艺用硅衬底抛光片的制备方的工艺流程如图1所示，其技术方案为：硅单晶生长→晶体检测→滚磨→多线切割→倒角→双面研磨→化学腐蚀→中间检测→化学机械抛光→清洗检验→近边缘形状评估。其中主要技术要点为通过磁场单晶来精确控制氧含量和缺陷，特殊的近边缘形状设计及控制，以及特殊的近边缘形状判定方法。
SOI硅衬底抛光片用直拉单晶对电阻率、晶体原生缺陷(COP和旋涡)以及氧含量分布有很高的要求。磁场对熔体对流本身有着显著的迟滞效应，具有使硅熔体温度梯度分布均匀、熔体内部对流稳定且晶体生长速率稳定的优势。如图1所示，本发明所提供的键合工艺用硅衬底抛光片制备方法中采用磁场控制和液位控制拉晶技术，其中磁场类型为水平磁场，磁场强度为1000-5000高斯，磁场形状为马鞍形，晶转为5-15rpm，埚转为0.1-3rpm；液位控制系统能够保证晶体生长时液面位置+/-0.Smm波动范围。通过此拉晶工艺，能精确的控制氧含量分布，在抑制漩涡缺陷的同时可以有效降低COP成核能力及数量，将单晶的缺陷控制在极低的水平。
SOI制程多用到键合工艺，即Handle wafer与TOP wafer对贴，如果硅片的近边缘形状出现严重的塌边，就会影响对贴效果，键合后边缘一周会出现大小不等的bubble，影响键合效果，最终影响到SOI制程的良率。因此，制备本衬底，特别的要设计和控制衬底的近边缘形状。本发明中，在倒角、腐蚀以及化学机械抛光工序开发了特殊的工艺窗口，制备出了能够完美匹配键合工艺用的硅衬底，具有足够的窗口能兼容与之对贴的另一片衬底。其中，本发明要求进行四次倒角，分别使用800#导轮粗倒2次，1000-3000#导轮精倒2次，使用非对称倒角，正面斜边长度(X1)要大于600μm，背面斜边长度(X2)要小于300μm；本发明中要求使用混合腐蚀工艺进行腐蚀，先进行碱腐蚀，再进行酸腐蚀，碱腐蚀去除量要求5-15μm，酸腐蚀去除量要求15-20μm，总腐蚀去除量要求20-35μm；本发明中对抛光的转速，压力，抛光液的浓度，pH值以及贴片时蜡膜的厚度都有特殊的规定，其中抛光转速控制在30-50rpm，压力控制在300-500kg，化学液浓度(有机碱∶水)控制在1∶15-1∶30，pH值(酸碱度)控制在9-13，蜡膜厚度控制在1-3μm。以上处理的目的是为了让硅片的边缘翘起，这样加工出来的硅片才能匹配键合工艺。
通过收集ADE几何参数测试设备测试的原始数据，抓取特定半径位置的厚度数据，在特定半径位置进行360度圆周数值拟合并计算平均值，计算ERO数据，通过该方法评估的ERO数据，ERO数值越小，硅片边缘越翘。在以下实施中，评估硅片近边缘形状的具体过程为：
通过收集ADE平整度测试仪(ADE9600)测试的原始数据，抓取特定半径位置的厚度数据，该半径位置是指半径为85-90mm(R85-R90)的位置，在该半径位置进行360度圆周数值拟合并计算厚度平均值，通过R85-R90圆周厚度平均值拟合出厚度变化曲线，预测R92-R95半径位置厚度平均值，将预测值与相应半径位置实测厚度均值作差，计算所得为ERO数据。通过该方法评估的ERO数据，如果ERO数值为0，则说明预测值与实际值相符，硅片边缘平坦；ERO数值为正，则说明实测厚度比预测厚度小，硅片边缘有塌陷；反之，ERO数值为负，则说明硅片边缘翘起，ERO数值越小，硅片边缘越翘。通过该方法，能够与硅片近边缘形状有良好的对应关系，能精确的评估硅片近边缘形状。在该方法中，通过R85-R90圆周厚度平均值拟合出厚度变化曲线，预测R92-R95半径位置厚度平均值的具体操作过程可以参考SMEI M68以及SMEI M77标准。本发明对取点位置及计算方法进行了调整，能够更好的适应键合工艺用硅衬底抛光片近边缘形状评估。
实施例1
通过使用本发明中的磁场拉晶方法拉制8英寸P型轻掺B单晶，其中，磁场强度为3000高斯，晶转为10rpm，埚转为1.5rpm，液位控制系统保证晶体生长时液面+/-0.5mm波动范围；采用本发明中的倒角加工方法进行边缘轮廓设计加工，倒角轮廓X1为650μm，X2为280μm，碱腐蚀去除量为15μm，酸腐蚀去除量为15μm，抛光转速控制在32rpm，压力控制在320kg，化学液浓度控制在1∶20，pH值控制在10，蜡膜厚度控制在1.5μm，最终加工成键合工艺用硅衬底抛光片，该产品具备以下规格参数：
氧含量控制在7-11ppma(ASTM-83标准)
径向电阻率变化≤10％；
氧化层错≤100个/cm2；
平整度≤3μm；
局部平整度(25*25，最优面)≤0.5μm；
翘曲≤20μm(3PT)；
颗粒(含COP)≤40个/片(@0.16μm)；
表面金属沾污≤5E10cm2 atoms/cm2(A1、Cr、Fe、Ni、Zn)；
表面金属沾污≤1E10cm2 atoms/cm2(Cu)。
对所得硅片使用上述方法评估ERO，所得ERO数值为硅片近边缘形状为翘起。将所得硅片用于注氧键合(Simbond)工艺，能够与其键合工艺完美匹配，该产品得到完美应用，达到国际先进水平。
实施例2
通过使用本发明中的磁场拉晶方法拉制8英寸N型轻掺P单晶，其中，磁场强度为4000高斯，晶转为15rpm，埚转为2rpm，液位控制系统保证晶体生长时液面+/-0.5mm波动范围；采用本发明中的倒角加工方法进行边缘轮廓设计加工，倒角轮廓X1为600μm，X2为250μm，碱腐蚀去除量为10μm，酸腐蚀去除量为15μm，抛光转速控制在35rpm，压力控制在400kg，化学液浓度控制在1∶12，pH值控制在11.5，蜡膜厚度控制在2μm，最终加工成键合工艺用硅衬底抛光片，该产品具备以下规格参数：
氧含量控制在6-10ppma(ASTM-83标准)
径向电阻率变化≤10％；
氧化层错≤100个/cm2；
平整度≤3μm；
局部平整度(25*25，最优面)≤0.4μm；
翘曲≤20μm(3PT)；
颗粒(含COP)≤40个/片(@0.16μm)；
表面金属沾污≤5E10cm2atoms/cm2(A1、Cr、Fe、Ni、Zn)；
表面金属沾污≤1E10cm2atoms/cm2(Cu)。
对所得硅片使用上述方法评估ERO，所得ERO数值为硅片近边缘形状为翘起。将所得硅片用于智能剥离技术(Smart-cut)工艺，能够与其键合工艺完美匹配，该产品得到完美应用，达到国际先进水平。
Claims (2)
1.一种用于键合工艺的硅衬底抛光片的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
(1)采用磁场拉晶法进行拉晶，进行磁场控制和液位控制，控制晶体生长时液面位置+/-0.5mm波动范围；
(2)进行滚磨及线切割；
(3)进行倒角轮廓设计与加工，进行四次倒角，分别使用800#导轮粗倒2次，1000-3000#导轮精倒2次，使用非对称倒角，轮廓幅长中，正面斜边长度X1大于600μm，背面斜边长度X2小于300μm；
(4)使用混合腐蚀工艺进行腐蚀，先进行碱腐蚀，再进行酸腐蚀，碱腐蚀去除量控制在5-15μm，酸腐蚀去除量控制在15-20μm，总腐蚀去除量控制在20-35μm；
(5)进行抛光，抛光转速控制在30-50rpm，压力控制在300-500kg，化学液浓度控制在1:15-1:30，pH值控制在9-13，蜡膜厚度控制在1-3μm；
(6)进行清洗检测；
(7)进行边缘形状评估，通过收集ADE几何参数测试设备的原始数据，抓取特定半径位置的厚度数据，在该特定半径位置进行360度圆周数值拟合并计算平均值，通过该平均值预测比所述特定半径位置更靠近边缘的半径位置厚度平均值，将预测值与相应半径位置实测厚度值作差，计算得到ERO数据，ERO数值越小，表示硅片边缘越翘；
如果ERO数值为0，表示预测值与实际值相符，硅片边缘平坦；ERO数值为正，表示实测厚度比预测厚度小，硅片边缘有塌陷；ERO数值为负，表示硅片边缘翘起；
所述特定半径位置是指半径为85-90mm的位置，预测位置为半径为92-95mm的位置。
2.根据权利要求1所述的用于键合工艺的硅衬底抛光片的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，磁场类型为水平磁场，磁场强度为1000-5000高斯，磁场形状为马鞍形，晶转为5-15rpm，埚转为0.1-3rpm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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