超薄單晶硅片加工檢測技術的研究進展

張立安

（浙江海納半導體有限公司， 浙江 衢州 324300）

1 單晶硅片概述

半導體領域中廣泛應用的硅材料己成為集成電路（Integrated Circuit，IC）產業最重要的基礎功能材料，在民用和軍事工業中都占有重要的地位。電子信息產業的高速發展亟需提高生產效率、降低生產成本，為此，單晶硅片的直徑尺寸越做越大。300 mm 大直徑單晶硅片已在IC 器件中得到了廣泛的應用，直徑＞400 mm 的單晶硅片也進入了開發、研究的階段。單晶硅片直徑的增長導致其重量增加、自支撐性變差而更易破碎。因此，需要單晶硅片的厚度也相應增加，以提高其機械強度，如表1 所示。

表1 單晶硅片厚度隨直徑的變化

在單晶硅片上制作器件所需的有效厚度僅為5～10 μm，硅片90%以上的厚度是為了保證其在加工過程中的強度。半導體器件的高集成度和微型化，要求普通IC 芯片的厚度減至100 μm 以下。疊層、3D 等多層封裝技術也需求厚度在30～100 μm 的超薄硅片[1]。為了減小芯片器件的體積，通常需要在封裝前將硅片減薄[2]。除了在封裝技術上的不斷革新，對超薄硅片的應用和選擇也勢在必行。硅片減薄具有如下優點：減小封裝體積、降低熱阻、提高器件電氣性能和熱性能。

目前，已經利用超薄硅片已經開發了一系列可伸縮硅集成電路，這種電路在在極度折疊、拉伸、壓縮的情況下仍然可以保持優異的電學性能。利用該特點可應用于柔性電子器件、紙樣顯示器、閃存卡、能卡以及醫療電子等。因此，超超薄單晶硅片必將成為今后研究和發展的方向。

超薄硅片的加工至今仍然是一個科技難題。目前，一些大公司和研究機構可以在實驗室中獲得厚度為5 μm 超薄硅片，如圖1 所示。但是，如何獲得更大尺寸的超薄硅片，進一步量產以達到商用，尚在研究之中[3]。研究單晶硅片減薄加工技術中的科技難題具有極高的經濟價值和學術意義，其難點主要集中在以下幾個方面。

1）由于硅材料本身的脆性和剛性，使得單晶硅片厚度減薄至100 μm 以下時，易產生變形或破碎。

2）高度的集成化使IC 特征線寬尺寸逐年減小，對單晶硅片的面型精度和表面完整性提出了更高的要求。例如，對于直徑300 mm、厚度100 μm 的超薄硅片要求總厚度變化值＜1 μm，翅曲度＜5 μm，表面粗糙度＜0.01 μm，而且要求硅表面亞表面沒有微裂紋、殘余應力與劃痕等損傷和缺陷。

3）缺乏加工經驗和理論指導，傳統硅片的厚度約為300～800 μm，有足夠的厚度來應對減薄過程中對硅片的損傷和內應力，也具有足夠的剛性讓硅片保持原有的平整狀態。但是，隨著單晶硅片厚度減小，其機械強度急劇下降，傳統厚度硅片加工過程中積累的經驗數據難以直接使用。

4）硅片被減薄到100 μm 以下時，在宏觀上表現出形態上的柔軟、剛性差和實質脆弱等物理特性，對后續工藝過程中夾持、傳遞、流片提出了嚴峻的挑戰。

2 硅片的加工方法

加工單晶硅片通常需要經過的工藝流程主要包括：晶體生長、整形處理、切片、倒角、研磨、腐蝕、表面處理、雙面拋光、單面拋光、清洗和檢查等。切片過程中有圓切割和線切割兩種方式，切片的關鍵是盡可能地降低損耗，在硅片表面留下盡可能少的機械損傷。經過切片后的硅片需要通過倒角工藝獲得光滑的邊緣，減小邊緣的中心應力。磨片工藝可以消除切片造成的嚴重損傷，只留下一些均衡、淺顯的傷痕。而接下來的化學腐蝕工藝可以更加徹底地去除這些機械損傷。對腐蝕硅片的表面處理主要包括噴砂和背封等。重摻雜的硅片通常需要經過化學氣相沉積（CVD）工藝在其背面淀積一層薄膜，以阻止摻雜劑的擴散。硅片經過化學機械拋光后可得到光滑、平整、無任何損傷的表面。但拋光硅片表面有大量的沾污物，需通過清洗去除。單晶硅片的檢查過程主要關注的參數是電阻率、翹曲度、總厚度超差和平整度等。

3 硅片的減薄方法

國內外圍繞超薄硅片的加工展開了一系列的研究。目前制備超薄單晶硅材料的方法主要有多孔硅層轉移法、絕緣層上硅外延法、離子注入剝離法以及減薄法[4]。多孔硅層轉移法多用來制備超薄晶硅太陽電池領域。絕緣層上硅外延法技術則是制備體單晶硅—絕緣層—單晶硅的三層結構，主要應用于集成電路。離子注入剝離法通常需將高能離子束注入到單晶硅棒的特定深度，再通過剝離過程，獲得20～150 μm厚度的硅片。相比于上述三種方法，將常規厚度的硅片采用減薄的方式來制備超薄硅片，具有操作簡單、對設備和工藝的要求低等優點，是目前為止工業界較為可行且經濟的方法。

目前國內外很少有研究者針對單晶硅片的減薄技術進行系統的報道和研究。其減薄技術和理論仍然借鑒于IC 工藝中的減薄技術和經驗。德國最早開始采用磨削方法加工減薄硅片。目前，對單晶硅片的減薄可以分為化學及機械結合法、濕法腐蝕和干法腐蝕三種。由于目前干法腐蝕裝置還存在裝置昂貴、等離子密度不均勻等問題，因而在實際的硅片減薄中還不能得到較好的應用。下面對化學及機械結合法和濕法腐蝕進行簡單介紹。

1）化學及機械結合法。在機械及化學結合法中，磨削加工和研磨加工的效率較高、成本也相對較低，但加工過程中較大的機械應力會在硅片表面產生深度達幾μm 的損傷層，硅片的強度降低，更容易發生碎片，且磨削表面存在的殘余應力導致硅片易發生翹曲，通常還需后續的工藝來消除損傷層和殘余應力[5]。化學機械拋光（CMP）是利用化學反應和機械摩擦相結合的作用去處理材料表面，該方法獲得的硅片表面的損傷很小，但材料去除速率較低。在實際的硅片減薄中，CMP 通常用于硅拋光片制備中的最后一道工序，用于去除損傷層，使硅片表面平坦化，獲得表面精度高、粗糙程度低和表面損傷小的硅片[6]。

2）濕法腐蝕。濕法腐蝕包括酸腐蝕和堿腐蝕，是通過硅片與腐蝕劑（酸或堿）的化學反應，去除硅片表層材料的過程。濕法腐蝕法的操作簡單、對設備和工藝的要求低，而且經過濕法腐蝕的硅片能較徹底消除表面損傷層、減小翹曲，是目前工業界最常采用的減薄方法。采用酸腐蝕減薄硅片過程中，需將硅片置于HNO3和HF 的腐蝕液中，硅片表面材料在混合酸液的作用下被連續去除[7]。堿腐蝕過程通常采用高濃度的堿性溶液（如KOH、NaOH 等）在加熱到90 ℃左右的環境下，經過調整反應時間來制備厚度可控的超薄單晶硅材料[8]。然而，在傳統的濕法化學腐蝕減薄中存在濃度和溫度分布不均勻性，以及氫氣泡在腐蝕表面粘附的嚴重問題，導致腐蝕速度不均勻及其腐蝕后表面質量嚴重下降。

4 硅片減薄后的表面質量及影響因素

理解減薄硅片表面損傷層的結構以及殘余應力的分布，對減薄硅片的質量控制至關重要[9]。硅片機械減薄是一種物理性損傷工藝，硅片經過機械研磨工藝，硅片表面存在著多層結構的損傷層。損傷層破壞了硅片晶體規整有序的結構，導致硅片強度下降、結構穩定性降低、碎片率增加。研磨加工的硅片表面存在較大的損傷層和殘余應力，這些缺陷將嚴重影響硅片的最小減薄厚度，還需要后續工藝，如化學機械拋光、濕法腐蝕等去除研磨引起的損傷層和殘余應力，以防止超薄碎片發生破碎。

在化學腐蝕制備超薄硅片過程中，隨著硅晶片的減薄，硅晶片表面的損傷層、內應力、近表層缺陷及體內缺陷分布情況將發生變化。酸腐蝕減薄硅片的效率高、加工硅片的表面粗糙度小、亞表面沒有晶格崎變、位錯和殘余應力等損傷，能極大地提高硅片的強度，減少翅曲，但其缺點是對硅片面型的校正能力弱，不適合加工有凸起的硅片，腐蝕速度難以控制。

5 減薄硅片表面缺陷的檢測方法

表面殘余應力的檢測與分布規律可以通過拉曼光譜方法來實現。單晶硅片表面表面損傷檢測方式主要包括透視電鏡顯微觀察、角度截面顯微觀測以及拉曼光譜分析等。采用角度截面顯微觀測的方法可檢測亞表面的損傷程度，基本原理和檢測樣品如圖2 所示。

該方法主要通過以下幾個步驟實施：切割待檢測樣品使之能夠與拋光好的樣品粘結在一起，通過小角度（β）夾具對樣品進行研磨拋光，然后得到角度截面；采用HF 等溶液腐蝕角度截面，使樣品截面的損傷情況顯示出來；采用光學顯微鏡、掃描電鏡等高分辨率儀器測量樣品角度截面上的損傷長度L，然后通過公式Hd=L×sinβ 轉換得到磨削的亞表面深度Hd。通過所述方法能夠定性定量檢測硅片表面與亞表面的損傷情況，如塑性變形、裂紋分布及深度等，分析磨削工藝參數的作用規律與材料去除機理。

采用X 射線光電子能譜（XPS）分析磨削表面的化學成分，通過全掃描圖譜確定表層的全部化學元素組成，窄掃描圖譜擬合分析確定化學態和結構。采用XPS 半定量分析技術分析磨削表面不同原子的相對濃度，濃度計算公式為：

式中：n 為檢測樣品表面的原子數量；I 為XPS 的波峰強度，通過峰面積進行計算；σ 為相對元素的相應能級的電離截面，取Scofield 計算的數據，C1s=1.00，O1s=2.93，Si2p=0.817，Ek為光電子動能，Ek=hv-BE（Al Kα,hv=1 486.6 eV）。

6 結論

本文介紹了單晶硅片的減薄方法、減薄硅片的表面質量以及表面損傷層的表征方法。雖然近年來單晶硅片的減薄技術快速發展，但是仍面臨著很多尚未解決的問題。例如，減薄的工藝參數變化對表面材料去除率、材料去除非均勻性和表面質量的影響等實際問題仍未完全解釋清楚，機械和化學減薄的去除機理仍有待進一步的研究和分析。同時，國內外各設備廠商仍然需要研制更為先進的加工設備，以滿足先進集成電路對超薄硅片表面質量的要求。