晶体材料加工与芯片制备技术

晶体材料加工与芯片制备技术机电工程学院魏昕设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求晶体材料加工芯片制备（关键：光刻）晶体材料及其应用晶体生长晶体切割内圆切割线切割晶片抛光－化学机械抛光晶体材料加工技术晶体材料半导体材料(硅、锗等)基片晶体材料(蓝宝石、碳化硅等)压电材料(水晶、铌酸锂、钽酸锂等)磁光晶体(钇铁石榴石等)光学晶体(宝石、铌酸锂、钽酸锂等)激光晶体电光晶体等(铌酸锂、钽酸锂、砷化镓等)广泛应用于电子、通信、计算机、激光、航空航天等技术领域。硅片、玻璃片、光学纤维、蓝宝石片、石英片锗半导体基片晶体材料应用光学窗口蓝宝石半导体基片硅基片上加工的集成电路晶体材料应用晶片的加工过程研磨腐蚀激光检测取向外延抛光生长单晶外径滚磨切割倒角晶体生长溶液生长法：饱和与过饱和；降温法；恒温蒸发法；循环流动法；温差水热法等熔体生长法：直拉法；下降法；焰熔法；导模法；冷坩埚法等气相生长法：真空蒸发镀膜法；升华法；化学气相沉积法；阴极溅射镀膜法等固相生长法：利用退火法；烧结法；退玻璃化法等薄膜生长法晶体生长——直拉法1950‘s，涉及熔融态物质的再结晶过程。加热方法：电阻加热；高频感应加热；光学或红外成象加热；电子束加热；等离子体加热。晶体生长晶体生长——直拉法加料、熔化：将原材料放入坩埚中，将坩埚放入单晶炉内，加热使原料融化。长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度（1420℃）以上，将多晶硅原料熔化。缩颈生长：将籽晶逐渐浸渍到熔体中与表面接触。由于籽晶与硅熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用缩劲生长使之消失掉。缩颈生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（4-6mm）。由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出晶体表面，产生零位错的晶体。以超过98％的电子元件材料使用的单晶硅为例（原材料包括：多晶硅和化学蚀刻的籽晶（约0.5cm,10cm长））。加工工艺：加料→熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长晶体生长——直拉法放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与向上提拉籽晶杆速度，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。等径生长：长完细颈和肩部之后，即进入等径生长阶段。借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2mm之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶硅片取自于等径部分。尾部生长：将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么应力将使得晶棒出现位错与滑移线。长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。目前硅晶锭的直径可达400mm，长度有1~2m。1)便于精密控制生长条件，较快速度获得优质单晶。2)选择不同取向的籽晶可以得到不同取向的单晶体。3)可以方便的采用“回熔”和“缩颈”工艺，降低晶体中的位错密度，减小嵌镶结构，提高晶体的完整性。4)可直接观察晶体生长过程，为控制晶体外形提供了有利条件。5)减小功率，降低拉速，可以使晶体的直径加大，反之则会使晶体直径减小。优点：1)一般要用坩埚做容器，导致熔体有不同程度的污染。2)当熔体中含有易挥发物时，则存在控制组分的困难。3)不适于生长冷却过程中存在固态相变的材料。缺点：晶片的加工过程研磨腐蚀激光检测取向外延抛光生长单晶外径滚磨切割倒角晶体切割方法外圆切割主要用于加工端面和晶向偏转大的长晶体定向切割。生长的晶锭经过滚圆达到所要求的直径后，切割成厚度为0.2mm-0.9mm的晶片。外圆切割内圆切割线切割目前晶体切割的主要方法：晶体切割——内圆切割刀片外径和机床主轴连接；刀片内径做为切削刃；刀片随主轴高速旋转，并且向下运动；工件做轴向进给运动，完成晶片的切割。晶体切割——内圆切割刀片刀片基体：通常为不锈钢。刀片厚度：通常为0.1-0.15mm。切削刃口：内径，镀粒度为270-325目金刚石颗粒，厚度为0.2-0.32mm。晶体切割——内圆切割机床日本Toyo公司、日本旭日金刚石工业公司联合研发T-SM-300内圆切片机代表内圆切割的机床水平。国内主要生产商是电子45所，包括从Ф50到Ф200mm晶片的系列切割机床。按主轴安装的方式分为：立式和卧式。晶体切割——内圆切割（1）晶片表面损伤层较大；（2）刀口宽，材料损失大；（3）生产率低，每次只切割一片。（4）适合于直径200mm的晶体切割。优点：（1）切片成本低；（2）每一片都可以进行晶向的调整和切片厚度调整；（3）小批量多规格加工时，具有灵活的可调性。缺点：晶体切割——线切割切割工具：镀金刚石微粉不锈钢切割线。线轴：按晶片厚度加工出线槽。切割运动：切割线在输入线轴和输出线轴之间高速运动，晶体径向进给。切割液：加入SiC或金刚石微粉。多晶硅线切割晶体切割——线切割过程线切割过程属研磨加工过程。线切割过程由切割线和切削液共同作用完成。切割线直径0.15–0.3mm。晶体切割——线切割机床常见线切割机床：三线轴和四线轴两种。国外厂家：日本的TAKATORI公司、NTC公司和瑞士的HCT等。我国线切割设备的生产上还属于空白。晶体切割——线切割优缺点片厚不均匀，误差较大；风险大，一旦断丝就会使整个晶棒报废；成本高。优点：一次切割多片，生产率高；锯痕损失小；损伤层小。能用于直径200mm的晶体切割中。缺点：晶片的加工过程研磨腐蚀激光检测取向外延抛光生长单晶外径滚磨切割倒角晶片抛光——化学机械抛光（CMP）Chemicalmechanicalpolishing一种界面反应抛光，是目前在半导体、微电子元器件加工中应用最广泛，抛光质量和效率较高，技术比较成熟的一种抛光方法。晶片抛光——CMP原理以下作用的复合去除材料:溶液的腐蚀作用在工件表面形成化学反应薄层；磨粒微粒与加工面的接触部分化学反应；磨粒的机械摩擦作用去除反应层。运动方向软质磨粒微小反应区工件（硬质晶体）反应层仅几十个纳米以下的微小单位去除的表面加工，加工表面的损伤极小。晶片抛光——CMP原理——关于抛光压力、相对运动速度的函数。通常根据Preston’sEquation描述：dT/dt=k*N/A*dS/dt或：MRR=k*P*VT：工件厚度；N：為正压力；A：面积；S：相对移动距离；t：時間；K：常數P:抛光压力；V：相对运动速度材料去除率：晶片抛光——CMP工艺抛光剂：烘制石英（SiO2）（5～7nm）悬胶弥散于含水氢氧化钾（PH≈10.3）颗粒含量：SiO2占20％（质量分数）。流量：50mL/min，粘度：108Pa·s晶片尺寸：200mm；压力：27～76kPa衬垫转速：20r/min；保持架转速：50r/min衬垫材料：聚氨酯的聚酯衬垫的修整：转动衬垫修整器清除衬垫上已用过的抛光液,并露出衬垫的纤维以供下一次加工。加工表面粗糙度：Ra1.3～1.9nm。CMP加工硅晶片常用工艺参数如下：晶片抛光——CMP存在的问题抛光参数对平面度的影响；抛光垫-抛光液-晶片之间的相互作用；抛光液的化学性质对各种参数的影响；在线检测。我国集成电路设计与制造水平集成电路设计与制造的主要流程框架图形转换芯片制备集成电路的集成度和产品性能每18个月增加一倍——摩尔定律据专家预测,今后20年左右,集成电路技术及其产品仍将遵循这一规律发展。以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。经济发展的数据表明,每l2元的集成电路产值,带动了10元左右电子工业产值的形成,进而带动了100元GDP的增长。摩尔定律：芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。我国集成电路设计与制造水平20世纪80年代中期我国集成电路的加工水平为5m，其后，经历了3、1、0.8、0.5、0.35m的发展。目前达到了0.18m的水平。当前国际水平为65nm，实验室45nm我国与之相差约为2-3代。（在成套工艺方面，“６５纳米成套产品工艺”整体研发完成并进入批量生产，使我国集成电路制造首次达到国际先进水平。在装备整机方面，多台１２英寸关键整机产品及关键零部件实现突破，改变了长期被国外企业垄断的被动局面：我国自主研制的１２英寸６５纳米介质刻蚀机产品已获得国内外批量订单２０台，１２英寸６５纳米栅刻蚀机通过全部工艺验证。）集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求主要流程为薄膜制备、光刻和刻蚀SiliconEtchHIGH.wmvSiliconLithographyHIGH.wmvpackaging-bonding.wmv芯片制造芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层曝光刻蚀硅片测试和封装用掩膜版重复20-30次集成电路芯片的显微照片Vsspoly栅Vdd布线通道参考孔有源区N+P+集成电路的内部单元(俯视图)集成电路制造工艺图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等制膜：制作各种材料的薄膜电阻集成电路的制造工艺利用光学光刻传递图形所需步骤图形转换：光刻图形转换：光刻在主流微电子制造过程中，光刻是最复杂、昂贵和关键的工艺。圆片光学曝光简单系统：顶上的光源发出通过掩膜的光。圆片表面涂上一薄层光刻胶（光敏材料）。光学光刻分两部分：曝光工具在圆片表面产生掩膜图形；化学过程——一旦辐照的图形被光刻胶吸收和图形被显影。曝光光源（工具）：可见光、紫外光（UV）、深紫外光（DUV)或极紫外光（EUV）图形转换：光刻简单的光学曝光系统图形转换：光刻光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机–光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体。–光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变。光刻胶可分为：正胶、负胶。图形转换：光刻光刻胶可分为：正胶、负胶。图形转换：光刻正胶：由光产生分解，曝光后可溶；负胶：由光产生交联，曝光后不可溶。正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶。负胶：分辨率差，适于加工线宽≥3m的线条。分辨率——可以曝光出来的最小特征尺寸几种常见的光刻中的曝光方法–接触式曝光：曝光时掩膜压在涂覆光刻胶的圆片上。分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。–接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(10～25m)，可以大大减小掩膜版的损伤。分辨率较低。–投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法，目前工业应用最多。图形转换：光刻间隙投影式接近式接触式三种曝光方式超细线条光刻技术–深远紫外线(EUV：13－14nm)所有材料对EUV波段的光波有很强的吸收性。为了减少对EUV的吸收，在EUV光学体统的路上必须维持真空环境。可实现22nm的工艺结点的光刻，经改进，可实现10nm得图形光刻。–X射线（110KeV的光子。接近式。分辨率：30nm左右）–电子束光刻（直接写。波长远小于光波波长，理论上可得到尺寸很小的特征图形。但掩膜版必须足够后避免电子穿透，工作效率低。）–离子束光刻（直接写或投影。穿透深度很小，掩膜版的透明部分必须是空白。分辨率高、焦深长、衍射效应小、损伤小和产量高、成本等。）图形转换：光刻图形转换：光刻图形转换：光刻各种曝光方式比较湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法。干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。图形转换：蚀刻技术湿法腐蚀：–湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀–优点是