超薄单晶硅片加工检测技术的研究进展

张立安

（浙江海纳半导体有限公司， 浙江 衢州 324300）

1 单晶硅片概述

半导体领域中广泛应用的硅材料己成为集成电路（Integrated Circuit，IC）产业最重要的基础功能材料，在民用和军事工业中都占有重要的地位。电子信息产业的高速发展亟需提高生产效率、降低生产成本，为此，单晶硅片的直径尺寸越做越大。300 mm 大直径单晶硅片已在IC 器件中得到了广泛的应用，直径＞400 mm 的单晶硅片也进入了开发、研究的阶段。单晶硅片直径的增长导致其重量增加、自支撑性变差而更易破碎。因此，需要单晶硅片的厚度也相应增加，以提高其机械强度，如表1 所示。

表1 单晶硅片厚度随直径的变化

在单晶硅片上制作器件所需的有效厚度仅为5～10 μm，硅片90%以上的厚度是为了保证其在加工过程中的强度。半导体器件的高集成度和微型化，要求普通IC 芯片的厚度减至100 μm 以下。叠层、3D 等多层封装技术也需求厚度在30～100 μm 的超薄硅片[1]。为了减小芯片器件的体积，通常需要在封装前将硅片减薄[2]。除了在封装技术上的不断革新，对超薄硅片的应用和选择也势在必行。硅片减薄具有如下优点：减小封装体积、降低热阻、提高器件电气性能和热性能。

目前，已经利用超薄硅片已经开发了一系列可伸缩硅集成电路，这种电路在在极度折叠、拉伸、压缩的情况下仍然可以保持优异的电学性能。利用该特点可应用于柔性电子器件、纸样显示器、闪存卡、能卡以及医疗电子等。因此，超超薄单晶硅片必将成为今后研究和发展的方向。

超薄硅片的加工至今仍然是一个科技难题。目前，一些大公司和研究机构可以在实验室中获得厚度为5 μm 超薄硅片，如图1 所示。但是，如何获得更大尺寸的超薄硅片，进一步量产以达到商用，尚在研究之中[3]。研究单晶硅片减薄加工技术中的科技难题具有极高的经济价值和学术意义，其难点主要集中在以下几个方面。

1）由于硅材料本身的脆性和刚性，使得单晶硅片厚度减薄至100 μm 以下时，易产生变形或破碎。

2）高度的集成化使IC 特征线宽尺寸逐年减小，对单晶硅片的面型精度和表面完整性提出了更高的要求。例如，对于直径300 mm、厚度100 μm 的超薄硅片要求总厚度变化值＜1 μm，翅曲度＜5 μm，表面粗糙度＜0.01 μm，而且要求硅表面亚表面没有微裂纹、残余应力与划痕等损伤和缺陷。

3）缺乏加工经验和理论指导，传统硅片的厚度约为300～800 μm，有足够的厚度来应对减薄过程中对硅片的损伤和内应力，也具有足够的刚性让硅片保持原有的平整状态。但是，随着单晶硅片厚度减小，其机械强度急剧下降，传统厚度硅片加工过程中积累的经验数据难以直接使用。

4）硅片被减薄到100 μm 以下时，在宏观上表现出形态上的柔软、刚性差和实质脆弱等物理特性，对后续工艺过程中夹持、传递、流片提出了严峻的挑战。

2 硅片的加工方法

加工单晶硅片通常需要经过的工艺流程主要包括：晶体生长、整形处理、切片、倒角、研磨、腐蚀、表面处理、双面抛光、单面抛光、清洗和检查等。切片过程中有圆切割和线切割两种方式，切片的关键是尽可能地降低损耗，在硅片表面留下尽可能少的机械损伤。经过切片后的硅片需要通过倒角工艺获得光滑的边缘，减小边缘的中心应力。磨片工艺可以消除切片造成的严重损伤，只留下一些均衡、浅显的伤痕。而接下来的化学腐蚀工艺可以更加彻底地去除这些机械损伤。对腐蚀硅片的表面处理主要包括喷砂和背封等。重掺杂的硅片通常需要经过化学气相沉积（CVD）工艺在其背面淀积一层薄膜，以阻止掺杂剂的扩散。硅片经过化学机械抛光后可得到光滑、平整、无任何损伤的表面。但抛光硅片表面有大量的沾污物，需通过清洗去除。单晶硅片的检查过程主要关注的参数是电阻率、翘曲度、总厚度超差和平整度等。

3 硅片的减薄方法

国内外围绕超薄硅片的加工展开了一系列的研究。目前制备超薄单晶硅材料的方法主要有多孔硅层转移法、绝缘层上硅外延法、离子注入剥离法以及减薄法[4]。多孔硅层转移法多用来制备超薄晶硅太阳电池领域。绝缘层上硅外延法技术则是制备体单晶硅—绝缘层—单晶硅的三层结构，主要应用于集成电路。离子注入剥离法通常需将高能离子束注入到单晶硅棒的特定深度，再通过剥离过程，获得20～150 μm厚度的硅片。相比于上述三种方法，将常规厚度的硅片采用减薄的方式来制备超薄硅片，具有操作简单、对设备和工艺的要求低等优点，是目前为止工业界较为可行且经济的方法。

目前国内外很少有研究者针对单晶硅片的减薄技术进行系统的报道和研究。其减薄技术和理论仍然借鉴于IC 工艺中的减薄技术和经验。德国最早开始采用磨削方法加工减薄硅片。目前，对单晶硅片的减薄可以分为化学及机械结合法、湿法腐蚀和干法腐蚀三种。由于目前干法腐蚀装置还存在装置昂贵、等离子密度不均匀等问题，因而在实际的硅片减薄中还不能得到较好的应用。下面对化学及机械结合法和湿法腐蚀进行简单介绍。

1）化学及机械结合法。在机械及化学结合法中，磨削加工和研磨加工的效率较高、成本也相对较低，但加工过程中较大的机械应力会在硅片表面产生深度达几μm 的损伤层，硅片的强度降低，更容易发生碎片，且磨削表面存在的残余应力导致硅片易发生翘曲，通常还需后续的工艺来消除损伤层和残余应力[5]。化学机械抛光（CMP）是利用化学反应和机械摩擦相结合的作用去处理材料表面，该方法获得的硅片表面的损伤很小，但材料去除速率较低。在实际的硅片减薄中，CMP 通常用于硅抛光片制备中的最后一道工序，用于去除损伤层，使硅片表面平坦化，获得表面精度高、粗糙程度低和表面损伤小的硅片[6]。

2）湿法腐蚀。湿法腐蚀包括酸腐蚀和碱腐蚀，是通过硅片与腐蚀剂（酸或碱）的化学反应，去除硅片表层材料的过程。湿法腐蚀法的操作简单、对设备和工艺的要求低，而且经过湿法腐蚀的硅片能较彻底消除表面损伤层、减小翘曲，是目前工业界最常采用的减薄方法。采用酸腐蚀减薄硅片过程中，需将硅片置于HNO3和HF 的腐蚀液中，硅片表面材料在混合酸液的作用下被连续去除[7]。碱腐蚀过程通常采用高浓度的碱性溶液（如KOH、NaOH 等）在加热到90 ℃左右的环境下，经过调整反应时间来制备厚度可控的超薄单晶硅材料[8]。然而，在传统的湿法化学腐蚀减薄中存在浓度和温度分布不均匀性，以及氢气泡在腐蚀表面粘附的严重问题，导致腐蚀速度不均匀及其腐蚀后表面质量严重下降。

4 硅片减薄后的表面质量及影响因素

理解减薄硅片表面损伤层的结构以及残余应力的分布，对减薄硅片的质量控制至关重要[9]。硅片机械减薄是一种物理性损伤工艺，硅片经过机械研磨工艺，硅片表面存在着多层结构的损伤层。损伤层破坏了硅片晶体规整有序的结构，导致硅片强度下降、结构稳定性降低、碎片率增加。研磨加工的硅片表面存在较大的损伤层和残余应力，这些缺陷将严重影响硅片的最小减薄厚度，还需要后续工艺，如化学机械抛光、湿法腐蚀等去除研磨引起的损伤层和残余应力，以防止超薄碎片发生破碎。

在化学腐蚀制备超薄硅片过程中，随着硅晶片的减薄，硅晶片表面的损伤层、内应力、近表层缺陷及体内缺陷分布情况将发生变化。酸腐蚀减薄硅片的效率高、加工硅片的表面粗糙度小、亚表面没有晶格崎变、位错和残余应力等损伤，能极大地提高硅片的强度，减少翅曲，但其缺点是对硅片面型的校正能力弱，不适合加工有凸起的硅片，腐蚀速度难以控制。

5 减薄硅片表面缺陷的检测方法

表面残余应力的检测与分布规律可以通过拉曼光谱方法来实现。单晶硅片表面表面损伤检测方式主要包括透视电镜显微观察、角度截面显微观测以及拉曼光谱分析等。采用角度截面显微观测的方法可检测亚表面的损伤程度，基本原理和检测样品如图2 所示。

该方法主要通过以下几个步骤实施：切割待检测样品使之能够与抛光好的样品粘结在一起，通过小角度（β）夹具对样品进行研磨抛光，然后得到角度截面；采用HF 等溶液腐蚀角度截面，使样品截面的损伤情况显示出来；采用光学显微镜、扫描电镜等高分辨率仪器测量样品角度截面上的损伤长度L，然后通过公式Hd=L×sinβ 转换得到磨削的亚表面深度Hd。通过所述方法能够定性定量检测硅片表面与亚表面的损伤情况，如塑性变形、裂纹分布及深度等，分析磨削工艺参数的作用规律与材料去除机理。

采用X 射线光电子能谱（XPS）分析磨削表面的化学成分，通过全扫描图谱确定表层的全部化学元素组成，窄扫描图谱拟合分析确定化学态和结构。采用XPS 半定量分析技术分析磨削表面不同原子的相对浓度，浓度计算公式为：

式中：n 为检测样品表面的原子数量；I 为XPS 的波峰强度，通过峰面积进行计算；σ 为相对元素的相应能级的电离截面，取Scofield 计算的数据，C1s=1.00，O1s=2.93，Si2p=0.817，Ek为光电子动能，Ek=hv-BE（Al Kα,hv=1 486.6 eV）。

6 结论

本文介绍了单晶硅片的减薄方法、减薄硅片的表面质量以及表面损伤层的表征方法。虽然近年来单晶硅片的减薄技术快速发展，但是仍面临着很多尚未解决的问题。例如，减薄的工艺参数变化对表面材料去除率、材料去除非均匀性和表面质量的影响等实际问题仍未完全解释清楚，机械和化学减薄的去除机理仍有待进一步的研究和分析。同时，国内外各设备厂商仍然需要研制更为先进的加工设备，以满足先进集成电路对超薄硅片表面质量的要求。