硅片近边缘形态的研究进展

关于硅片近边缘形态已有的研究主要集中在评价方法、工艺改进以及加工装置上。国际半导体产业协会(SEMI)标准量化评价硅片近边缘形态,约定了有关硅片近边缘卷曲度(ROA)、近边缘曲率、近边缘局部平整度、近边缘不完整区域局部平整度的评价方法,可以依据不同的应用场景选择适合的评价方法来判断近边缘形态。对于硅片近边缘形态的测量手段,可以分为近边缘卷曲(ERO)和近边缘微粗糙度两个方面。探究了抛光工艺和抛光前道制程对硅片近边缘形态的影响:抛光工艺会影响硅片近边缘局部平整度和硅片ROA,通过控制抛光压力、抛光时间和转速等工艺参数以及抛光垫和抛光浆料等工艺耗材可以改善硅片近边缘局部平整度;对于300 mm硅片,通过对抛光垫的改良和创新,设计出双层抛光垫以及3层抛光垫,可以缓解硅片近边缘塌陷。对于200 mm硅片,通过匹配腐蚀工艺和双面研磨工艺有益于改进局部平整度。近边缘形态相关专利主要通过改进工艺流程、引入单面磨削、改变硅片形状来改善硅片近边缘形态。

半导体硅材料CMP三维有限元分析

利用有限元仿真方法分析了四轴多片式单面抛光系统的抛光压力分布,建立三维准静态非轴对称模型,设定了模型部件尺寸和材料物性参数,设定模型假设条件和边界约束,使用有限元软件计算不同抛光垫杨氏模量和不同载荷条件下对硅片表面法向应力的影响,实验验证了硅片表面法向应力非均匀性(NSNU)与抛光去除非均匀性(WIWNU)的对应关系。抛光工作状态中抛光盘、陶瓷板的最大形变量为纳米级别,对硅片品质的影响可以忽略不计,抛光垫的最大形变量为微米级,最大形变与抛光垫杨氏模量有相关性,影响硅片的边缘应力分布;不同载荷条件下,硅片表面4个特征路径的应力变化有显著差异,应力分布均匀化趋势并不同步,由此可证明四轴多片式单面抛光系统中硅片表面压力分布的非对称性,这是三维准静态非轴对称有限元模型与二维轴对称方法的显著差异所在。仿真实验找出了NSNU最优化条件,验证了NSNU和WIWNU在不同载荷下具有一致的分布规律,两种实验载荷存在偏差,分析原因是抛光盘表面的平整度难以实现绝对平坦。

水平超导磁场直拉法硅单晶熔体过热现象

基于水平超导磁场及特定热场结构,对直拉法硅单晶生长过程中的熔体过热现象进行了数值模拟和实验研究。在数值模拟中发现了熔体对流和温度变化的特殊趋势,随后在实验中发现了相应位置晶体直径突然收缩现象,依此推测拉晶过程中生长界面附近熔体温度及温度梯度的变化是引起晶体直径收缩的直接原因。此外发现改变熔体温度梯度将改变熔体过热现象发生的位置和幅度,模拟中对两种极端的功率条件进行了计算,并在实验中观察到了预期的差别。水平超导磁场对于熔体对流的抑制作用、特定的热场结构和工艺条件,都是引起熔体过热和晶体直径收缩现象发生的原因。

半导体硅片酸腐蚀后形状实验研究

以半导体硅片制备工艺中的酸腐蚀过程为研究对象,采用硅片几何参数检测设备的原始数据为数据源,借助空间统计手段和数据可视化技术,基于实验研究酸腐蚀过程中硅片的转动、外加气泡扰动因素对半导体硅片酸腐蚀后形状的影响。通过实验数据分析,建立硅片酸腐蚀剥离去除量的分布与相应各因素之间的经验模型,根据各实验条件的腐蚀去除量的分布,结合酸腐蚀的化学反应机理,分析不同工艺条件下硅片形状的成因。实验结果表明:富硝酸体系中,在同等酸液配比条件下,腐蚀剂相对于硅材料表面的流速会影响化学反应中的物质交换效率,化学腐蚀速率与腐蚀剂相对流动速率显著相关;硅片的转动速率、外界引入的气泡扰动都会影响酸液的流动特征,进而改变物质交换效率的空间分布,最终影响硅片腐蚀后的形状。研究表明,硅片酸腐蚀后的几何形状受漩涡效应和边缘效应的共同影响。用宏观去除量模型、漩涡效应和边缘效应的经验模型叠加构造酸腐蚀硅片的经验模型,验证结果显示模型误差较小,可以预报在转动、气泡二因素交互作用下,酸腐蚀后硅片的几何形状。

化学腐蚀对半导体硅片抛光后局部平整度的影响

抛光后的局部平整度(SFQR)参数是表征硅片抛光质量的重要指标之一,也是抛光过程较难优化的几何参数之一。分析了不同的化学腐蚀处理对抛光后局部平整度的影响。实验结果表明,不同的腐蚀处理方式会产生不同的表面状态,进而影响抛光后的局部平整度,抛光后SFQR与腐蚀片总厚度差(TTV)以及平整度(TIR)呈现出了一定的相关性。酸腐蚀去除量越大,腐蚀后的TTV以及TIR参数越差,硅片表面局部起伏也越剧烈,相应地,抛光后的SFQR也有逐渐增大的趋势。碱腐蚀硅片表面局部起伏较小,因此能获得较好的抛光后SFQR参数;而酸腐蚀硅片表面局部起伏剧烈,抛光后SFQR相对较大。KOH碱腐蚀与Na OH碱腐蚀会产生不同的表面粗糙度Ra,但是抛光后SFQR分布情况差异不大。目前实验研究表明抛光后SFQR受抛光前的粗糙度起伏Ra影响不大,而主要受反映硅片表面轮廓的较为宏观的起伏影响。

化学腐蚀后的表面状态对硅片Fe沾污的影响

利用不同的酸腐蚀和碱腐蚀条件对硅片进行了腐蚀,分析了腐蚀后的硅片表面状态对Fe沾污的影响。实验结果表明,不同酸腐蚀条件的硅片经过以HF酸结尾的改进型RCA(Radio Corporation of America)清洗法清洗后,表面疏水性增强,相对不易附着Fe离子,而当酸腐蚀硅片表面经过SC-1溶液处理后,表面亲水性增强,附着的Fe离子较多,且难以通过超纯水冲洗去除;随着酸腐蚀硅片表面粗糙度的增大,表面吸附的Fe离子也增多。不同碱腐蚀条件的硅片去除量越小,表面残留的研磨造成的机械损伤层厚度则越大,损伤层厚度较大时,表面吸附的Fe离子也越多,且难以通过超纯水冲洗去除;在90℃下腐蚀40 s的硅片,由于去除量约为4.2μm,研磨过程中造成的表面损伤层沾污没有完全去除,残留在损伤层中的Fe沾污经过改进型RCA清洗后也无法去除,沾污会在退火过程中扩散进入硅片体内。