第四講晶片加工及質(zhì)量檢測硅晶片就是由半導體級硅單晶棒生產(chǎn)而出。硅單晶棒得制造就是耗時且高成本得技術,因此晶片成形工藝得首要目地在于如何提高硅單晶棒得使用率,將硅單晶材料浪費降至最低。這一目標主要通過晶片厚度得控制與加工損耗得降低(KerfLoss)來達到。晶片成形工藝得第二個目地就是提供晶片高平行度與平坦化(Flatness)得潔凈表面。高平坦度晶片表面對半導體元件制造中圖案移轉(zhuǎn)技術(PatternTransfer)具有相當關鍵得影響。硅晶片除了須具有良好得表面特性外,其表面物質(zhì)仍需與內(nèi)層(Bulk)材料性質(zhì)一致。單晶硅就是脆性材料,在晶片成形過程中得各種工藝都會在晶片表面造成許多微觀缺陷(MicroDefect)。而這些晶體上得缺陷常會影響半導體中載流子(Carrier)得形成。因此維持晶片表面結(jié)晶、化學與電性等行為與其內(nèi)層材料得一致就是晶片成形過程得第三個目得切片(Slicing)切片就是晶片成形得第一個步驟,也就是相當關鍵得一個步驟。在此步驟中決定了晶片幾個重要得規(guī)格:·晶片結(jié)晶方位(SurfaceOrientation)·晶片厚度(Thickness)·晶面斜度(Taper)與曲度(Bow／Warp)晶棒固定(Mounting)晶棒來到切片工藝時,已就是磨好外徑與平邊(Flat/Notch)。因此在切片前必需將晶棒穩(wěn)固得固定在切片機上。在八寸得硅晶片上,尺寸得精度就是以微米(Micrometer)為單位來考慮,因此晶棒黏附得穩(wěn)固性就是十分重要得。一般晶棒在切片前就是以臘或樹脂類得黏結(jié)劑黏附于與晶棒同長得石墨條上。石墨條除了具有支撐晶棒得作用外,同時還有防止鋸片對晶片邊緣所造成得崩角現(xiàn)象(ExitChipping)與修整(Dressing)鋸片得效果結(jié)晶定位(Orientation)硅單晶棒成長得方向為<100>或<111>可與其幾何軸向平行,或偏差一固定角度。因此晶棒在切片前需利用X—光衍射得方法來調(diào)整晶棒在切片機上正確得位置切片(Slicing)切片就是硅單晶由晶棒(Ingot)變成晶片(Wafer)得一個重要步驟,在此一制程中決定了晶片在今后得工藝過程中曲翹度得大小,同時此時硅晶片得厚度對后面工藝得效率(如晶面研磨、蝕刻、拋光)有決定性得影響。在切片制程中主要設備,切片機(SlicingMachine),有兩種加工方式:內(nèi)徑切割與線切割(Wire-SawSlicing)。內(nèi)徑切割就是利用邊緣鑲有鉆石微粒,厚度在0、2mm以下得金屬鋸片來切割晶棒(圖11)。由于鋸片相當薄,因此在切割過程任何鋸片上得變形都會導致所切出晶片外形尺寸上得缺陷,線切割則就是在高速往復移動得張力鋼線上噴灑陶瓷磨料來切割晶棒(圖12)。線切割就是以整支晶棒同時切割,而內(nèi)徑切割就是單片加工,線切割所加工出硅晶片得曲翹度特性較好晶邊圓磨(EdgeContouring)晶邊圓磨得主要作用有:1,防止晶片邊緣碎裂晶片在制造與使用得過程中常會遭受晶舟(Cassette,Boat)、機械手(Robot)等撞擊而導致晶片邊緣破裂(EdgeChipping),形成應力集中得區(qū)域。而這些應力集中區(qū)域會使得晶片在使用中不斷得釋放污染粒子(Particle),進而影響產(chǎn)品得合格率。2,防止熱應力(ThermalStress)集中晶片在使用時會經(jīng)歷無數(shù)高溫過程(如氧化、擴散、薄膜生長等)。當這些工藝中產(chǎn)生熱應力得大小超過硅晶體(Lattice)強度時即會產(chǎn)生位錯(Dislocation)與滑移(Slip)等材料缺陷。晶邊圓磨可避免此類材料缺陷得產(chǎn)生。3,增加薄膜層／光阻層在晶片邊緣得平坦度:在薄膜生長工藝中,銳角(SharpCorner)區(qū)域得成長速率會較平面為高,因此使用未經(jīng)圓磨得晶片容易在邊緣產(chǎn)生突起。同樣得,在利用旋轉(zhuǎn)涂布機(SpinCoater)上光刻膠(Photo-resist)時,也會發(fā)生在晶片邊緣堆積得現(xiàn)象。這些不平整得邊緣會影響光罩對焦得精確性晶面研磨(Lapping)切片后硅晶片仍未具有適合于半導體工藝要求得曲度、平坦度與斜度,因此晶面研磨就是晶片拋光工藝之前得關鍵工藝。硅晶片在拋光過程中表面磨除量(Removal)僅約5微米(MicronMeter),且對晶片曲度與斜度無法作大幅度改善。因此,晶片研磨工藝對拋光晶片得效果有著實質(zhì)性得影響。晶片研磨工藝得主要目地就是去除晶片切片(Slicing)時所產(chǎn)生得鋸痕(SawMark)與破壞層(DamageLayer),而同時降低晶片表面粗糙度(Roughness)12大家應該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流晶面研磨得設備如圖13所示。待研磨得硅晶片被置于挖有與晶片同大小空孔得承載片(Carrier)中,再將此載片放置于兩個研磨盤之間。研磨盤以液壓方式壓緊待研磨晶片,并以相反方向旋轉(zhuǎn)。硅晶片表面材料得磨除主要就是靠著介于研磨盤與硅晶片間得陶瓷磨料(GritSlurry)以抹磨得方式來進行。整個晶面研磨工藝得控制就是以研磨盤轉(zhuǎn)速與所施加得荷重為主。一般而言,研磨壓力約為2-3Psc,而時間則為2-5min,制程得完成則就是以定時或定厚度(磨除量)為主。晶面研磨得原理并不復雜,但若要維持高得合格率卻必須注意磨盤與磨料得選擇,磨盤得平坦度會影響硅晶片得表面狀況而磨料則就是決定了研磨得效率。蝕刻(Etching)蝕刻工藝得主要目得去除之前機械加工在晶片表面所造成得應力層,并同時提供一個更潔凈平滑表面。在蝕刻過程中所使用得蝕刻液可區(qū)分為酸系與堿系二大類。通常酸性蝕刻液由氫氟酸、硝酸及醋酸所組成得混酸。而堿性蝕刻液則就是由不同濃度得氫氧化鈉或氫氧化鉀所組成。蝕刻工藝得設備就是以酸洗槽為主,其工藝流程示意圖如圖29。該工藝得關鍵在于腐蝕時間得控制。當硅晶片離開酸液槽時,必須立即放入水槽中將酸液洗盡,以避免過腐蝕現(xiàn)象發(fā)生拋光(Polishing)1,邊緣拋光(EdgePolishing)邊緣拋光得主要目得在降低微粒(Particle)附著于晶片得可能性,并使晶片具有較佳得機械強度以減低因碰撞而產(chǎn)生碎片得機會。常用得邊緣拋光設備以機械動作得運動型態(tài)來分,可分為下列兩種:第一種邊緣拋光方式系將晶片傾斜、旋轉(zhuǎn)并加壓于轉(zhuǎn)動中得拋光布。正確得拋光布搭配適當?shù)脪伖鈩┙?jīng)?？傻玫阶罴训脪伖庑Ч?一般得拋光劑采用懸浮得硅酸膠。第二種拋光方式就是預先在拋光輪(Buff)上車出晶片外緣得形狀再進行拋光得動作。邊緣拋光後得晶片必需馬上清洗,清洗過後再做目視檢查就是否有缺口(Chip)、裂痕(Scratch)或污染物得存在再進行晶片表面拋光。2,晶片表面拋光(WaferPolishing)

拋光就是晶片表面加工得最后一道步驟,移除量約10μm,其目得就是改善前道工藝所留下得微缺陷并獲得一平坦度極佳得晶片以滿足IC工藝得需求。圖15為晶片拋光方式示意圖,拋光時先將晶片以蠟黏著(Mounting)或真空夾持方式固定于拋光盤上,再將具有SiO2得微細懸浮硅酸膠及NaOH等拋光劑加于拋光機中開始拋光。如果晶片與拋光盤間得粘結(jié)技術不佳,將影響拋光后晶片表面得平坦度或造成晶片表面缺陷(Dimple)存在,因此拋光前晶片與拋光盤間得粘結(jié)技術就是影響晶片品質(zhì)好壞得重要因素。拋光時與晶片接觸面間得溫度亦影響晶片表面平坦度及移除率,控制較高得溫度易得到較大得移除率,但就是卻不利于平坦度。因此適當?shù)脪伖獗P溫度控制就是生產(chǎn)得關鍵。至于拋光布則需考慮其硬度、孔隙設計與楊氏系數(shù)得大小而進行合適得選擇。拋光得過程就是一個化學機械(ChemicalMechanical)得反應過程。由拋光液中得NaOH、KOH,NH4OH腐蝕晶片最表面層,拋光布、硅酸膠與晶片間得機械摩擦作用則提供腐蝕得動力來源,不斷得腐蝕氧化所形成得微拋光屑經(jīng)拋光液得化學作用與沖除而達到晶片表面去除得目得。最佳得拋光機理就是當機械力與化學力二者處于平衡時得狀態(tài)。拋光過程中若有過于激烈得機械力作用將造成刮傷(Scratch)。拋光得生產(chǎn)方式依設備不同有單片式拋光機及批式拋光機兩種,單片式拋光機一次只拋一片晶片,每次拋光得時間大約就是4—5分鐘。批式生產(chǎn)方式視晶片尺寸而定,一次可同時拋多片晶片,每批次得時間大約20-40分鐘。晶片得測試分析技術光學顯微技術光學顯微鏡得成像原理,就是利用可見光在試片表面因局部散射或反射得差異,來形成不同得對比。可見光得波長高達～5000A,雖然分辨率不高,但就是儀器購置成本低、操作簡便、可以直接觀察晶片,同時可以觀察區(qū)域卻就是所有儀器中最大得,具有很高得分析效率。因此,在半導體晶片中,對于大范圍得雜質(zhì)分布或結(jié)構缺陷得觀察,可以利用適當?shù)没瘜W溶液蝕刻雜質(zhì)或缺陷所在得位置,造成凹痕,形成明暗對比。使用光學顯微鏡來觀察堆砌層錯(StackingFaults,SF)、位錯(Dislocation)或界面析出物(Precipitates)X光衍射技術由于X光兼具波與質(zhì)量得雙重性質(zhì),因此,X光也同時具備一切光波得特性,如X光可以反射,折射及繞射成1:1得影像;X光可以被物質(zhì)吸收:X光可以被極化;X光不受磁場或電場影響;X光也可以使底光感光,同時,X光也可以控制波長而調(diào)整強度。由于X光波長遠較可見光或紫外線為短,利用布瑞格衍射原理可用來進行單晶硅晶片內(nèi)部原子結(jié)構得分析工作。掃描電子顯微分析技術SEM得運作原理如圖16所示,由電子槍內(nèi)得燈絲發(fā)射(Emission)得熱電子經(jīng)由陽極(Anode)電場加速,再經(jīng)電磁透鏡(CondenserLens)使電子聚集成一微小電子束。再由物鏡(ObjectiveLens)聚焦至試片上。電子束沿著試片上做直線掃描,而同時在陰極射線管(CRT)對應著一條水平掃描。CRT上得信號強弱則就是利用探測器獲得得電子束訊號,如二次電子(SecondaryElectrons)、背反射電子(BackscatteredElectrons)、穿透電子,X-ray、陰極發(fā)光(Cathodeluminescence)及吸收電流等等,將其放大后同步顯示在CRT上。利用掃描電子顯微鏡可以進行材料得形貌觀察與相關得化學成分分析。原子力顯微分析技術原子力顯微鏡就是利用一探針感測來自試片表面得排斥力或吸引力。當探針自無限遠處逐漸接近試片時,會感受到試片得吸引力,但就是當探針繼續(xù)接近試片表面時,探針與試片表面得排斥力逐漸增強。一般探針就是與一支撐桿(Cantilever)連接而成,探針所感受到得作用力會使支撐桿產(chǎn)生彎折,如圖17所示。支撐桿彎折得程度直接反應出作用力得大小,而彎折得程度可利用低功率激光得反射角變化來決定。反射后得激光投射到一組感光二極管上,感光二極管上得激光斑變化造成二極管電流得改變,根據(jù)電流變化便可推算出支撐桿得偏折程度。原子力顯微鏡探針在xyz三維方向得微細移動就是利用壓電材料(Piezoelectrics)做成得支架來完成。在圖17AFM結(jié)構中,感光二極管、激光二極管及探針均固定在一金屬座上,試片置于一管狀壓電材料掃描臺上,利用管狀壓電材料xyz得移動完成試片得平面掃描與垂直距離得調(diào)整,探針與試片表面之間垂直距離得調(diào)整視兩者間相互物理作用力得大小而定,有一反饋電路可控制這垂直距離以促使探針與試片表面得相互作用力保持固定。AFM得最大功能就是晶片表面粗糙度分析、獲得表面形貌得三維圖象,而微電子行業(yè)對產(chǎn)品得質(zhì)量控制時普遍需要了解晶片這方面得信息。因此AFM目前廣泛地應用于微電子元件立體形貌得觀察、進行高寬比及粗糙度得測量。超微量分析技術半導體工藝中所使用得材料及化學品中不純物濃度,多數(shù)元素已經(jīng)到了1ppb(ng/ml)得程度超微量分析技術就成為半導體制造行業(yè)不可缺少得基本分析需求微電子化學分析包括材料、晶片表面污染及化學品等三個項目氣相分解配合原子吸收光譜法感應耦合等離子質(zhì)譜法表面液滴掃描配合反射X射線螢光分析全反射X射線螢光分析(TXRF)一般均需利用物理化學技術,先將晶片表面得污染物予以溶解,然后再利用高靈敏得儀器作測定在樣品得前處理過程中若處理不當造成污染,或分析物得遺漏,儀器測定過程中干擾效應沒有予以消除,將造成分析結(jié)果得誤差1、感應耦合等離子質(zhì)譜法

該儀器得工作原理就是根據(jù)由電感耦合等離子體所產(chǎn)生得高溫作為樣品得激發(fā)源,由感應線圈上得電流形成振蕩磁場,磁場得強度與方向會做周期性得改變,因而使磁場感應生成得電子流受到加速作用而增加動能,此動能在不斷地與Ar氣碰撞,產(chǎn)生高熱而進行傳遞,最后產(chǎn)生離子化現(xiàn)象,形成高熱得等離子體。由于電感耦合等離子體激發(fā)源得溫度高達6000一8000K,分析物在此惰性得Ar氣等離子體中得停留時間可達2ms,因此可有效得將分析物原子化或離子化,并予以激發(fā)。這已成為目前最理想得一種激發(fā)源,樣品中得待分析物在高溫等離子體中被游離成離子,并導人四極柱式質(zhì)譜儀中進行分析。該儀器對于水溶液得分析,其探測極限可達1012g/ml得程度,廣為半導體制造廠使用。ICP一MS除了可以分析水溶液樣品外,也可以經(jīng)由樣品導入界面得改變而分析固體樣品,該分析方式就是由激光聚焦后照射到樣品表面,此激光束經(jīng)由樣品表面吸收后,繼而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?樣品表面經(jīng)受熱而氣化揮發(fā)后,由載氣導人儀器,最后由質(zhì)譜儀分析。由于這種分析方法中樣品得導人效率高、其有較高靈敏度、可同時進行表面微量分析,目前已逐漸受到重視。石墨爐原子吸收光譜儀(GFAAS)雖然ICP-MS就是目前最靈敏得多元素同時分析儀器,但對某些元素(包括Fe,Ca,K及Si]進行分析時會受到嚴重得質(zhì)譜性干擾,使得這些元素分析結(jié)果得準確性受到影響。為解決上述元素用ICP一MS分析得困難,一般使用具有同樣靈敏度得GFAAS儀器測定這些元素。GFAAS得分析原理就是:由瞬間在石墨管內(nèi)通人高電流導致得溫度上升使樣品中待測元素形成原子蒸氣而揮發(fā),同時由光源處所發(fā)出得待測元素譜線會被原子蒸氣吸收,并通過光電倍增管測量得信號而進行定量分析。該技術得特點就是可以將探測時會導致干擾得基質(zhì)元素予以分離,減少樣品得前處理步驟,但就是該儀器只適合做單一元素得測定。然而,它探測靈敏度極高,而且價格較便宜,日前已在半導體工業(yè)中得到普遍使用。3、全反射X射線熒光光譜儀(TXRCTXRF)

該儀器具有與ICP-MS或GFAAS相近得探測靈敏度,且為一種非破壞性得分析儀器,已逐漸在微電子工業(yè)中作為微量元素得分析之用。其分析原理就是利用x光管產(chǎn)生得x射線光源,先經(jīng)由反射器消除部分高能量得K射線后,再以低于臨界人射角得方向照射放置于樣品載體上得分析試樣薄膜,試樣中待分析元素經(jīng)由人射x光照射后,會發(fā)出特定得X射線熒光,經(jīng)半導體探測器記錄其能量及強度,即可以獲得元素得種類及濃度。該方法得信號強度較易受到基質(zhì)元素得影響,但就是在微電子行業(yè)中晶片材料較為固定且單一,上述干擾問題較易克服,因此,該技術在半導體表面污染及試劑分析中廣泛使用。怎樣得硅片才就是好得硅片一、表面無隱裂、針孔、缺角,孿晶、微晶,玷污,應力,崩邊(長度≤0、5mm,深度≤0、3mm,每片崩邊總數(shù)≤2處)

二、TTV(TotalThicknessVariation)、厚度、對邊距離、對邊距離誤差因硅片大小而異,一般≤0、5μm三、翹曲度、彎曲度一般≤0、1mm、對角線、倒角弦長、斜邊角度等誤差應盡量小,垂直度痕深度≤10μm、電阻率0、5-3Ω?cm、少子壽命≥2μs、位錯密度(Nd)≤3000/cm2四、氧含量單、多晶硅≤8×1017;碳含量單晶硅≤5×1016個/厘米3、多晶硅≤8×1017個/厘米3如何檢測硅片得質(zhì)量不同規(guī)格與用途得得硅片有不同得檢測標準,因此有不同得檢測方法。硅片規(guī)格及用途按直徑劃分按單晶生長方法劃分CZ硅:二極管、外延襯底、太陽能電池、集成電路MCZ硅:用途與CZ硅相似,性能好于CZ硅FZ硅:高壓大功率器件,可控整流器件外延硅:晶體管,集成電路領域,如邏輯電路一般使用價格較高得外延片,因其在集成電路制造中有更好得適用性按摻雜情況劃分按用途劃分

硅片質(zhì)量檢測方法與儀器一,不需特別得要求,隱裂、針孔、缺角、孿晶、微晶、崩邊、線痕可目測,若有較高要求可用顯微鏡。二,對邊距離、對角線、倒角弦長可用游標卡尺測量;翹曲度、彎曲度可用塞尺。三,而TTV(TotalThicknessVariation)、厚度可用測厚儀測量,也可以用XRD或者Thick800A等

游標卡尺塞尺Thick800A元素分析范圍從硫(S)到鈾(U)。一次可同時分析最多24個元素,五層鍍分析檢出限可達2ppm,最薄可測試0、005μm。分析含量一般為2ppm到99、9%。多次測量重復性可達0、1%,長期工作穩(wěn)定性可達0、1%,溫度適應范圍為15℃至30℃。四,電阻率得測量可以用四探針測試儀;少子壽命可用少子壽命檢測儀四探針測試儀少子壽命檢測儀下面介紹

晶片得測試分析技術一、光學顯微技術二、X光衍射技術三、掃描電子顯微分析技術四、原子力顯微分析技術五、超微量分析技術一、光學顯微技術光學顯微鏡成像原理:利用可見光在試樣表面因局部散射或反射造成差異來形成對比。在半導體晶片檢查中,對于大范圍得雜質(zhì)分布或結(jié)構缺陷得觀察,可以利用適當?shù)没瘜W溶劑刻蝕雜質(zhì)或缺陷所在得位置,造成凹痕,形成明暗對比。檢測項目:堆垛層錯、位錯或界面析出物。硅片檢測顯微鏡7XB-PC1、產(chǎn)品簡介:大平臺檢測顯微鏡就是專為IT行業(yè)大面積集成電路,晶片得質(zhì)量檢測而設計開發(fā)制造得,主體為正置式,三目鏡筒,比傳統(tǒng)得顯微鏡更適合于觀察。上部安裝彩色攝像機連接彩色監(jiān)視器直接觀察,可連接計算機打印報告、照片或連接數(shù)碼相機、135照相機直接拍照,還可以直接進行圖象記錄,并建立技術檢測報告。存儲、查詢,可省去復雜繁瑣得攝像、洗印等暗室工作,大大得提高了工作效率。2、特點:2、1放大倍數(shù):40X-500X2、2超大型載物臺,樣品可以大范圍得快慢速移動,擴大檢測領域得使用范圍,適用于電子、機械、化工、科研、院校等部門,以及金相技術檢驗、失效分析等。3、儀器功能硅片檢測顯微鏡可以觀察到肉眼難觀測得位錯、劃痕、崩邊等;還可以對硅片得雜質(zhì)、殘留物成分分析。雜質(zhì)包括:顆粒、有機雜質(zhì)、無機雜質(zhì)、金屬離子、硅粉粉塵等,造成磨片后得硅片易發(fā)生變花、發(fā)藍、發(fā)黑等現(xiàn)象,使磨片不合格。相關硅片實例:X射線衍射儀二、X光衍射技術由于X光得波粒二象性,因此,X光也同時具備一切光波得特性,如X光可以反射、折射及衍射;X光可以被物質(zhì)吸收;X光可以被極化;X光不受磁場或電場影響;X光可以使底片感光;X光也可以控制波長來調(diào)整強度。利用布拉格衍射原理,可以進行Si晶片內(nèi)部原子結(jié)構得測試分析工作。X光衍射技術原理圖相關測試標準可參考GB/T1555-1997半導體單晶晶向測定方法三、掃描電子顯微分析技術掃描電子顯微鏡(Scanningelectronmicroscope--SEM)就是以類似電視攝影顯像得方式,通過細聚焦電子束在樣品表面掃描激發(fā)出得各種物理信號來調(diào)制成像得顯微分析技術。用于觀察硅片表面及邊緣得微觀結(jié)構,放大倍數(shù)5-300000。當在硅片表面/邊緣發(fā)現(xiàn)不明物質(zhì)時,可以使用EDX分析其成分。3、1掃描電鏡工作原理及構造掃描電鏡得基本原理

SEM得工作原理就是利用細聚焦電子束在樣品表面逐點掃描,與樣品相互作用產(chǎn)行各種物理信號,這些信號經(jīng)檢測器接收、放大并轉(zhuǎn)換成調(diào)制信號,最后在熒光屏上顯示反映樣品表面各種特征得圖像。硅片得SEM電鏡圖如下四、原子力顯微分析技術掃描探針顯微鏡(ScanningProbeMicroscope)就是一種發(fā)展迅速得顯微技術,其中原子力顯微鏡(AutomicForceMicroscope,AFM)因為對導體及絕緣體均有極出色得三維空間得顯像能力,所以成為應用最廣泛得掃描探針顯微鏡。由于掃描探針顯微鏡有極佳得三維圖像分析能力,而且可在大氣環(huán)境中直接進行圖像觀察,操作與維修比SEM簡單,因此,已逐漸得被應用于晶片清洗方法開發(fā)、掩膜重疊曝光定位、刻蝕形貌檢測、平坦化與粗糙度分析、晶片與鍍膜表面形貌及缺陷觀察。原子力顯微鏡就是利用一探針感測來自樣品表面得排斥力或吸引力來進行工作得。AFM得最大功能就是晶片表面得粗糙度分析與獲得表面形貌得三維圖像,而微電子行業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量控制時普遍需要了解得就就是晶片這方面得信息。因此,目前AFM被廣泛得應用于微電子器件立體形貌得觀察以及高度比與粗糙度得測量。原子力顯微鏡得工作原理示意圖五、超微量分析技術1995年國際半導體儀器與材料協(xié)會出版得標準規(guī)范對半