孫希凱

天津中環(huán)領先材料技術有限公司

切割單晶及多晶硅片表面層損傷研究

孫希凱

天津中環(huán)領先材料技術有限公司

硅半導體器件、特別是大規(guī)模集成電路的可靠性，在很大程度上取決于硅片表面的加工質量。為了獲得表面加工質量較好的硅片，除了改善加工方法外，還必須建立起一種較為靈敏的檢測手段，才能比較真實地反映硅片表面的加工狀態(tài)?；诖耍疚膶⒅胤治鎏接懬懈顔尉Ъ岸嗑Ч杵砻鎸訐p傷，以期能為以后的實際工作起到一定的借鑒作用。

單晶硅片；多晶硅片；切割；表面層損傷

1、切割單晶及多晶硅片表面層損傷檢測

1.1 角度拋光法

角度拋光法是廣泛用于檢測晶體材料加工表面層損傷深度的一種方法，它將亞表面損傷信息用一個斜面表現出來。其試驗步驟為：1)從硅片上按相關解理方向切下一個合適大小的樣品；2)切一個相同大小的拋光片，將拋光片的拋光面與被測樣品的檢測面用M-bond610液態(tài)膠粘結；3)將粘好的樣品固定在專用夾具上，然后在精密研磨拋光機上進行研磨、拋光，得到一個已知角度的斜面；4)用“楊氏”溶液進行腐蝕，采用金相顯微鏡測量蝕坑的數量、分布，并測量斜面上的損傷深度L，再由下式計算損傷深度Hd：

Hd=L×sinφ

角度拋光法的優(yōu)點是樣本制備相對簡單，容易實現，缺點是只能對特定區(qū)域進行檢測，且損傷深度很小時不宜采用。因此，該方法不適用于精加工硅片表面層損傷深度的檢測。

1.2 截面顯微觀測法

截面顯微觀測法常用于檢測硅片損傷深度和亞表面微裂紋形狀，和角度拋光法相比該方法要保持檢測截面與硅片加工表面垂直，其試驗步驟基本和角度拋光法相同。另外，可采用顯微Raman光譜儀對被測截面進行連續(xù)掃描，通過光譜的變化測量損傷深度。相同加工條件下的硅片，采用截面顯微觀測法測得的損傷深度小于截面顯微Raman光譜儀連續(xù)掃描測得的損傷深度，這是因為前者檢測到的只是硅片宏觀的損傷深度，而后者檢測是硅片損傷層及其形成的應力層的總厚度。

1.3 恒定腐蝕速率法

對有一定損傷層深度的硅片，表面損傷嚴重處腐蝕液與硅片表面接觸面積較大，腐蝕速率也較大，隨著損傷程度的減小腐蝕速率自表向里也逐漸減小，當達到無損傷處時，腐蝕速率不再變化，根據這一原理可采用逐層腐蝕的方法來測定損傷深度。恒定腐蝕速率法測量損傷深度時，若采用稱重法時測量腐蝕厚度，結果的誤差會很大，可采用NewViewZygo5022型三維表面形貌輪廓儀的臺階高度測量功能測量腐蝕厚度。由于粗加工和半精加工硅片的損傷深度較大，測量腐蝕去除厚度時較為困難，所以該方法僅適用于精加工硅片的損傷深度檢測。該方法簡單可行，但需多次腐蝕操作，要注意采取相應的防護措施。

2、切割單晶及多晶硅片表面層損傷

2.1 不同切割方法切割娃片亞表面損傷對比分析

本章主要分析了固結磨料切割和游離磨料切割兩種切片方法對娃片表面粗糖度、表而形貌和表面亞表面損傷的影響。

采用Olympus公司的MX40。型金相顯微鏡對FAS-MW以及LAS-MW的表面形貌和表面缺陷進行檢測，從表面形貌檢測結果來看，LAS-MW的表面是由很致密的顆粒狀凹坑組成，而FAS-MW的表面上有明顯的鋸絲切割產生的鋸痕，而FAS-MW上的鋸痕從整體上來說是均勻一致的，沒有很明顯的變化，并且多不均勻的凹坑，凹坑大小也不一致。

FAS-MW整個面上表面粗糙度相差不多，而LAS-MW不同位置表面粗糙度相差較大，相對而言表面粗糙度較大。

采用截而顯微觀測法和角度截面顯微觀測法對線鋸切割硅片亞表面損傷進行檢測。從亞表面損傷檢測結果來看，LAS-MW的亞表面損傷微裂紋深度比FAS-MW稍微大-點，但是由于LAS-MW的表面層損傷很大，所以其加工損傷比固結線鋸切割硅片加工損傷大很多。LAS-MW的亞表面損傷深度比較大，最大微裂紋深度值為I11.849μm最大加工損傷深度值為13.225μm。而FAS-MW的表而質量較好，其加工損傷和微裂紋深度值相差不大，最大微裂紋深度值為7.312μm最大加工損傷深度值為8.979μm。山于切片位置的不同，LAS-MW的亞表而損傷深度比較大，最大微裂紋深度值為II1.849μm最大加工損傷深度值為I3.225μm。從對線鋸切割硅片亞表面微裂紋密度分布的研究結果中，得出FAS-MW以及LAS-MW亞表面微裂紋密度與微裂紋深度符合指數遞減關系。LAS-MW的短裂紋較FAS-MW少而長裂紋較多，而在實際應用中長裂紋對于后續(xù)加工的影響較大。綜上所述，從整體來看，固結線鋸切割比游離切割工藝優(yōu)越很多。

2.2 多晶硅表面層損傷結果檢測與分析

通過對游離磨料線鋸切割多晶硅片的表面形貌和表面亞表面損傷進行了檢測，并對其結果進行了分析。主要是利用光學顯微鏡檢測了FAS-PW的表面形貌，利用角度截面顯微觀測法檢測了FASPW的表面損傷深度及微裂紋的分布情況。

通過對FAS-PW的表面形貌觀測結果發(fā)現，FAS-PW的表面也是山密集的凹坑組成，表面形貌與FAS-PW類似，證明多晶硅的性質對表面形貌的影響不大，主要是由游離磨料線鋸切割作用形成的。然后還對硅片亞表面損傷進行了檢測，并對FAS-PW的亞表面微裂紋的形狀和密度分布進行了研究分析，發(fā)現FAS-PW的微裂紋密度與其長度也符合指數遞減關系，分布比較均勻，大多數裂紋都是短小的微裂紋，但是也存在較大的長裂紋。

[1]張銀霞.單晶硅片超精密磨削加工表面層損傷的研究[D].大連理工大學，2006.

[2]高尚.硅片超精密磨削減薄工藝基礎研究[D].大連理工大學，2013.

[3]張銀霞，郜偉，康仁科，郭東明.單晶硅片磨削損傷的透射電子顯微分析[J].半導體學報，2008，08：1552-1556.

[4]劉洋.單晶硅磨削加工后的表面損傷研究[J].電子工業(yè)專用設備，2015，10：31-34.