标题followme园地（第2期）

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在上期的沈阳科晶设备制造有限公司的followme园地中，介绍了《设备选择》。使用沈阳科晶公司的精密设备，用不到6万元就可以建立你自己的加工实验室。有了自己的实验室，就要有相应的技术。来保证你的实验室的良好运行。为此目的，我们向科晶公司用户，介绍一下晶体基片加工的完全过程，来感谢产品用户的大力支持。《切磨抛工艺》来到了followme园地，进入您的视野。
　　　　　　　　　　　　 切磨抛工艺
　　将各种晶体加工制成半导体器件生产线上所需要的抛光片（衬底片）需要经过切片，磨片和抛光等工序。这一平面加工工艺的简称就是所谓的切磨抛工艺。
切片：
　　 加工大直径的晶体时，通常用内园切割机来进行加工。用这种设备切出的晶体基片是平的。因为刀片由外围张力环支持，震动小。相邻的晶片损伤小。小直径的晶体材料，可用科晶公司生产的SYJ-150型或EC400型切割设备进行加工，实用快捷。
　　 而对于脆性的，切割时易损的晶体材料，使用科晶公司生产的 SYJ-2型精密线切割机是非常合适的 。该设备使用镶嵌金刚石的线锯丝或普通的线锯丝，同时使用研磨浆来实现各种材料的无损伤切割。该机的工作台水平可旋转90˚卡具，并具有切割线张力调整装置，来实现精密的切割。
　　 SZX-1全自控高精度晶体线切割机，是沈阳科晶设备制造有限公司推出的国内独家研发制造的全自控高精度线切割机，是由计算机控制的理想切割机，可以切割最大棒料直经4英寸的各种晶体、陶瓷、及金属材料，切割厚度可小于0.2毫米。
　　 晶体材料在切片前，需要进行定向。例如单晶硅材料，一方面为了确定管芯划片时最佳方向（对【111】单晶参考定位面为〈100〉面）。另一方向，为使抛光片〈衬底〉在外延时，有利于减少外延层表面角锥缺陷，降低层错密度及减少隐埋图形的畸变和位移。一般要求切割片（衬底片）【111】朝向最近的【110】偏离4～5度。
　　 切割晶体时，按照切割设备的操作规程，逐条进行。一般都会加工出合格的晶体基片。要注意的是，由于切片设备的刀片的平整度及设备本身的精度造成的震动，会对切割的晶体基片表面造成机械损伤层，这一损伤层，一般来讲最少在30～70μm之间。所以在加工晶体基片时，切片的厚度，要把机械损伤层考虑到，例如：如果要求在半导体器件生产线上需要厚度为300μm的晶体基片，那么切割晶体基片时要求晶体基 片的厚度最好应在450～500μm左右。
●切片时的机械损伤（刀片震动造成）　　 30μm～70μm (一面)
●磨片时机械损伤（磨料造成）　　　　　　 5μm～15μm (一面)
●抛光时去除机械损伤　　　　　　　　　　 1μm以下
以上只是为用户提供一个考虑的思路。切割晶体基片的厚度尺寸原则是，保证最终抛光片尺寸厚度要求时，晶体切割时，片厚越薄越好，不但节省了晶体，降低了成本，也提高了磨片和抛光工序的效率。
磨片
　　磨片工序就是用各种磨料，对切割好的晶体进行加工处理，目的是去除因切割时刀片震动及机器本身精度造成的晶体基片表面的机械损伤层，提高晶体基片的平整度，使晶体基片达到适合抛光的标准。
　　研磨各种晶体基片时，一般要选用双面磨片机，特别是晶体基片提供商，只能选择这种所谓四轨迹的双面研磨机。用这种设备研磨出的晶体基片的平整度是可得到保证的。在实验室中研磨晶体基片时，可选用各种小型的单面磨片机，灵活、实用。例如：在研磨2英寸以下的晶体基片时，可以选用802精密研磨抛光机，在研磨3英寸以上的晶体基片时选用1502型精密研磨抛光机。
　　根据研磨晶体材料的不同，以及对晶体基片的不同要求，可以选用不同颗粒度的各种研磨材料。对于莫氏6以下的各种晶体材料可选用白刚玉微粉磨料，而莫氏硬度6以上的各种晶体材料，可以选用碳化硅或碳化硼等磨料。


　　磨料的颗粒大小和颗粒度的均匀性，与被研磨的晶体基片表面质量有很大关系。在一定的工艺条件下，损伤层深度正比于所使用的磨料颗粒度大小。粗的磨料引起较深的损伤层，反之损伤层小。所以，磨片工序分为粗磨和精磨两道工序。粗磨工序用于快速减薄晶体基片，精磨工序用改善片面质量，这是因为磨料的颗粒大小，对研磨效率有较大的影响，磨料颗粒度的大小与研磨速度成正比，与研磨质量成反比。研磨速度与机械的转数成正比。压力越大，研磨效率就越高。但是，压力过大，容易产生碎片现象和损伤增大。研磨速度是随磨料的浓度增加而加快的，要得到好的研磨质量，又能提高生产效率，就必须用适当的磨料，合理的压力和合适的机器转数。
研磨液的一般配比：磨料：水=10～20：100
　　选择质量好的磨料是非常重要的，对同一种型号的磨料，其颗粒大小也会不均匀，尤其是大颗粒（数量极小），引起后果极坏。因为磨料的颗粒度越大，加到磨盘底下的磨料就越少，即每个颗粒所担负磨盘的总压力就越大，而磨料颗粒又把加于它的压力，传给所研磨的晶体基片的表面，所以对加工的晶体基片表面的损伤就越深，造成深的损伤。不但会对晶体基片产生很深的损伤层，而且使表面造成划道。
　　 在研磨晶体基片前的工作是要进行选片。也就是要把切割好的晶体基片按不同厚度进行分类。将厚度一样的晶体基片进行粘片，准备研磨。因此，影响晶体基片平整度的因素包括选片、粘片和在研磨过程中磨料分布的情况及晶体基片本身的质量。所以，在研磨过程中，磨料的流量要保持不变，特别是晶体基片本身厚度要均匀。
粘片：把切割后的晶体基片粘在载料盘上，然后进行研磨减薄加工，去除晶体基片的机械损伤层。这一道工序是很重要的，它直接关系到晶体基片的平整度和平行度。粘片的粘合剂是一种特别的石蜡制品，主要成份是石蜡、松香、以及聚乙稀醇等。适用于各种晶体基片的粘合，沈阳科晶公司可以为用户提供这种石蜡制品。粘片的关键是掌握石蜡的熔点温度，以及涂蜡层的均匀度。
　　下面，我们给使用科晶公司产品的用户举两个例子，说明一下，如何根据研磨的晶体材料（切割好的晶体基片），来选择研磨的方式和磨料的种类及颗粒度。
例1、　　研磨切割好的单晶硅的晶体基片，根据单晶硅的物理性质，更主要是根据单晶硅的莫氏硬度为5，我们选用一次研磨的加工方式，选用白刚玉微粉磨料，磨料的颗粒度型号为M10，当硅片的直径为2英寸时，在802型设备上研磨，时间1小时，就可去除硅片上面的机械损伤层，此时晶体基片的损伤层只是磨料本身的颗粒直径造成的损伤层为10μm左右。达到抛光工序的用片要求。
例2、　　研磨白宝石的晶体基片，根据白宝石（AL2O3）的物理性质，更主要是根据白宝石的莫氏硬度为9这一情况，我们选用二次粗磨和一次精磨的加工方式，选用碳化硼或碳化硅磨料。粗磨工序时，选用M20和M10的磨料颗粒度。精磨工序时，选用M5或M3.5的磨料颗粒度。在白宝石基片的直径为2英寸时，在802型设备上研磨，二次粗磨和一次精磨分别在三台机器上进行，时间为8小时，就可去除白宝石两面的机械损伤层，此时晶体基片上的损伤层仅为3.5μm左右。达到抛光用片要求。

　　　　　　　　　　　　　　　　 抛光
　　 这一工序是去除磨片时所形成的表面损伤层，使晶体基片表面光洁如镜，达到器件生产线上对晶体衬底片的质量要求。也可以说，抛光的目地是为器件制造提供尽可能完美、无机械损伤层和无杂质粘污的镜面表面。
　　 晶体基片质量的优劣，对器件与集成电路的电学性能和成品率有着极重要的影响。抛光质量的关键是抛光材料和抛光工艺条件的选择。根据所生产器件的工艺要求，晶体基片可进行一次抛光或二次抛光。一般来说，为了提高抛光效率和抛光质量，通常把晶体基片抛光分为粗抛光和精抛光两步进行。粗抛光的作用是快速去除磨片时造成的破碎，损伤和高畸变层；精抛光则是要达到高性能，高可靠器件对晶体基片的高质量要求的目地。
　　 抛光工序，对设备选择也是很重要的。科研单位，大专院校选择科晶公司生产的几种抛光设备进行晶体基片抛光是非常实用的，能够保证抛光衬底片的质量。2英寸或2英寸以下的晶体基片可选用802型精密研磨抛光机；3英寸的晶体基片可选用1502型精密研磨抛光机；如有特殊需要还可以选用压力式研磨抛光机。
　　在抛光工序中，所使用的抛光工艺，一般都是所谓的化学机械抛光。在机械研磨晶体基片的同时，发生化学腐蚀作用。这样能去除在磨片时磨料对晶体基片表面造成的损伤层，使晶体基片表面光洁如镜，达到预定抛光效果。
　　 下面就硅片抛光工艺，来介绍一下典型的二氧化硅胶体化学机械抛光原理。
因为二氧化硅是酸性氧化物。所以将二氧化硅溶入氢氧化钠溶液中，有小部分二氧化硅与氢氧化钠反应生成硅酸钠（Na2Sio3水玻璃）其反应式如下：
　　　　　　　　 SIO2+2NAOH=Na2SIO3+H2O
　　 大部分二氧化硅微粒分布在氢氧化钠溶液配制成的二氧化硅胶体抛光液，PH值一般控制在9左右。该抛光液的原理是：
　　 硅片表面被抛光液中的氢氧化钠腐蚀，生成硅酸盐，二氧化硅胶粒对这层不完全键合的硅酸盐进行机械磨削，实现去除硅片表面损伤，使硅片表面平整，光洁如镜之目地。其 化学反应如下：
　　　　　　　　　　　　 SI+4NaOH→Na4SIO4+2H2↑
　　 要想获得质量好的抛光片，首先应使抛光过程中的化学腐蚀作用与机械作用达到平衡。如果化学腐蚀作用大于机械磨削作用，则抛光表面产生腐蚀坑、波纹，如果机械磨削作用大于化学腐蚀作用，则抛光片表面产生橘皮、拉丝。
　　与腐蚀作用有关系的是抛光温度，抛光液的PH值，温度与PH值增高则化学腐蚀速度加快。与磨削作用有关的是压力，机械转数、二氧化硅颗粒度、抛光布等。压力愈大，机械转数愈快，二氧化硅颗粒度愈粗，则磨削速度愈快。抛光布储存抛光液的能力愈强，磨削速度也愈快。反之就慢。
　　不同的晶体基片的抛光工艺所使用的抛光液是不同的。要根据所抛光的晶体基片的物理化学性质，来选择相适应的专用抛光液。沈阳科晶设备制造有限公司，可根据用户的要求，提供相应的抛光液，使您在使用科晶设备的时候，更加有效，实用和应手。
　　因为抛光液的纯度高，颗粒度小，应在净化好的环境中进行抛光生产。否则，环境粘污和大颗粒的侵入，就不会得到高质量的抛光片。尘粒的侵入是造成抛光片表面划道和质量不好的一个重要因素。最好的工艺条件应是在100级的净化环境中进行抛光生产。以便能够抛出高质量的晶体基片来。
　　另外，在抛光过程中，如果分粗抛光和精抛光两道工序，原则上应严格分开在两台设备上进行，以保证精抛光片的高质量。
　　下面，我们给使用科晶设备的用户举两个例子，来说明一下如何根据所要抛光的晶体基 片，来选择抛光方式及抛光液。
例1、　　抛光单晶硅基片
　　根据硅的物理化学性质和器件生产线上的工艺要求，我们选用一次抛光方式，采用二氧化硅胶体抛光液。这是因为抛光时，虽然二氧化硅与硅片的磨擦也会使硅片表面产生损伤，但是由于硅与二氧化硅的硬度相当，并呈胶团形式，因此损伤较小，而且二氧化硅不呈现在抛光片表面的嵌入。
　　 设备选择科晶公司的几种型号精密研磨抛光机，根据硅片的大小而定那一种，抛光布选用无纺布。抛光工艺参数：
　　 抛光液PH值为9　　　　　　　　 温度20˚左右
　　 抛光液流量1500ml/分　　　　　　 抛光压力200～250g/cm²
　　 抛光盘转数100～200转/分　　　　 载料盘转数20～40转/分
　　 抛光速率10μ～15μ/小时　　　　 抛光时间2小时
　　按照上述工艺，可抛出镜面硅片来，达到器件生产线上工艺对衬底片的质量要求。
例2、　　抛光白宝石晶体基片
　　根据白宝石晶体的物理性质，和器件生产线上的工艺要求，我们选用二次抛光方式，使用两种不同的抛光液。一种抛光液用来粗抛光，另一种用来精抛光。由于白宝石的莫氏硬度为9，使用的粗抛光液中的某种抛光材料的颗粒要硬和尖锐，而使用的抛光液中的某种抛光材料的颗粒要硬和柔软胶团。
　　 同样选择科晶公司生产的精密研磨抛光设备，根据晶体基片的大小，来选择一定的机型。抛光选用无纺布。抛光工艺参数：
粗抛光液为：
　　 抛光液PH值为9　　　　　　　　 温度20˚左右
　　 抛光液流量1500 ml /分　　　　　　抛光压力200～250 g/cm²
　　 抛光盘转数100～120转/分　　　　 载料盘转数20～40转/分
　　 抛光速率5μ～10μ/小时　　　　 抛光时间2小时
　　 清洗后然后进行精抛光
　　 抛光液PH值为10　　　　　　　　温度20˚左右
　　 抛光液流量1500 ml /分　　　　　　抛光压力200～250 g/cm²

　　 抛光盘转数100～120转/分　　　　载料盘转数20～40转/分
　　 抛光速率5μ/小时　　　　 抛光时间2小时
　　按照上述工艺进行操作，可抛出像水晶一样的白宝石晶片来，达到器件生产线上工艺对白宝石晶片的质量要求。
　　 抛光后，要对所抛的晶体基片进行检测，检测项目主要有：表面缺陷及损伤情况，平整度等。
　　 抛光片的表面缺陷较多，一般有划道、蚀坑、波纹、橘皮、麻点、雾状等。这些缺陷一般在日光灯或白炽灯下都能发现。对没有缺陷的抛光好的晶体基片，还要进行衬底检测。一般用400倍的显微镜进行操作。
　　 产生划道的原因主要是抛光液中混入大颗粒物。因此，抛光的环境和抛光机及抛光液的清洁度尤为重要。
　　 蚀坑和波纹产生的原因主要是抛光时腐蚀速率大与磨削速率。如抛光液PH值过高，抛光布储存抛光液的能力差等。解决这一问题只要稍微降低抛光液的PH值就可以解决。
产生橘皮的原因主要是抛光磨削速率大于腐蚀速率，只要稍微增加抛光液中的PH值就可以解决了。
　　在日光灯下就能看到麻点，实际上是磨片层留下来的砂坑，是抛光时间短造成的后果。没有去除一定的厚度，增加抛光时间，达到一定的去层厚度，就可以解决了。
　　 抛光片表面的雾状，可以用软的抛光布抛光来解决。
　　 抛光片表面的平整度是晶体基片的重要参数。抛光片表面的不平整，将使光刻时，掩模和晶体基片表面不能很好地密合接触，造成光刻图形的变坏。目前，对晶体基片表面局部平整度（SFQD）一般要求为设计线宽的 2/3，以64M存储器的加工线宽0.35μm为例，则要求硅片局部平整度在22m m² 范围内为0.23μm，256M电路的SFQD为0.17μm。
　　 抛光的平整度一般要用平整度测试仪测试。但对于定性观测，肉眼也可以胜任。影响晶体基片表面平整度，同粘片技术和抛光盘的平整性有直接关系。只要解决好了，就可以加工出符合器件生产工艺要求的合格抛光片来。
《切磨抛工艺》向科晶公司的用户说声再见了。《化学清洗》将在下期和您们见面。