劉 洋，劉玉玲

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300000)

由于半導(dǎo)體技術(shù)不斷向高集成度、高性能、低成本和系統(tǒng)化方向發(fā)展，半導(dǎo)體在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中的應(yīng)用更加廣泛。而高純度的金屬硅（≥99.99%）是生產(chǎn)半導(dǎo)體的材料，也是電子工業(yè)的基礎(chǔ)材料。摻雜有微量硼、磷等元素的單晶硅可用于制造二極管、晶體管及其他半導(dǎo)體器件。單晶硅片多用于制造集成電路的襯底材料，而硅片的表面質(zhì)量則直接影響著器件的性能、成品率及壽命。在把單晶硅棒加工成拋光片通常需要至少6 道機(jī)械加工、兩道化學(xué)加工和1～2 道拋光工藝。隨著硅片尺寸的增大，對(duì)于硅片的平整度及機(jī)械強(qiáng)度有著更加高的要求，但是磨削加工會(huì)不可避免地?fù)p傷硅片表面，該損傷會(huì)影響硅片強(qiáng)度，降低成品率和加工效率。因此，如何提高硅片的平整度及機(jī)械強(qiáng)度是硅片研磨的一個(gè)重要問(wèn)題。

集成電路和其他硅器件在高溫工藝中，硅片的翹曲和彎曲現(xiàn)象是普遍存在的，它是器件工藝中最嚴(yán)重，最困難的問(wèn)題之一。硅片的翹曲會(huì)給復(fù)雜線(xiàn)路圖的光刻工藝帶來(lái)困難，超過(guò)10%翹曲會(huì)使得3種線(xiàn)寬工藝難以順利進(jìn)行，特別是在微米及亞微米級(jí)的圖形工藝中，對(duì)硅片的平整度要求極為嚴(yán)格。隨著集成電路線(xiàn)寬的逐漸減小及硅片的直徑的增大，硅片的翹曲及彎曲問(wèn)題已顯得更為重要。

硅片的翹曲和彎曲是器件在高溫的工藝過(guò)程中熱應(yīng)力導(dǎo)致塑性變形的結(jié)果。當(dāng)作用在滑移面上的剪切應(yīng)力高于臨界剪切應(yīng)力時(shí)，會(huì)在垂直界面上產(chǎn)生單方向的滑移，即出現(xiàn)宏觀(guān)的塑性形變。一般認(rèn)為硅片的翹曲度和在高溫工藝中升降溫速率氧含量等因素有關(guān)，本文通過(guò)對(duì)不同加工工藝的單晶硅片的翹曲或彎曲度的實(shí)驗(yàn)，來(lái)了解硅片翹曲度與機(jī)械強(qiáng)度之間的關(guān)系。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品制備

取4 顆由不同直徑硅單晶經(jīng)線(xiàn)切割后的硅片，硅片厚度0.45 mm，每顆20 片。對(duì)硅片進(jìn)行金剛砂研磨處理，研磨至0.400～0.405 mm，經(jīng)清洗后確認(rèn)表面無(wú)劃傷。接著對(duì)一部分實(shí)驗(yàn)用的硅片用HF 等混合液將硅片表面腐蝕去掉一定厚度，使得硅片具有一定的表面狀態(tài)。

分別取一定數(shù)量的硅片測(cè)定熱處理前的表面平整度及抗彎強(qiáng)度，其余的硅片進(jìn)行1 200 ℃，2 h的高溫?zé)崽幚砉に?，然后自然冷卻。如表1。

1.2 抗彎強(qiáng)度

對(duì)得到的硅片進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測(cè)試，根據(jù)得到的彎曲度的變化來(lái)確定硅片的機(jī)械性能。

表1 不同單晶進(jìn)行不同工藝處理的片數(shù)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)1

對(duì)于同一段單晶切割后的硅片在進(jìn)行不同的處理后，硅片的抗彎強(qiáng)度及表面彎曲度的變化測(cè)試結(jié)果如表2。

表2 同一顆單晶進(jìn)行不同處理的測(cè)試結(jié)果

同一單晶制成的硅片，由于加工方式不同，表面損傷狀況不同，導(dǎo)致硅片的抗彎強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的差別。熱處理前后，彎曲度變化測(cè)試結(jié)果表明表面損傷小、抗彎強(qiáng)度高的硅片彎曲度變化小。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)2

對(duì)相同直徑，不同方式生產(chǎn)的（直拉（CZ）區(qū)熔(FZ)）硅單晶的研磨片及熱處理后的單晶片進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果如表3。

表3 不同方式生產(chǎn)的單晶片的測(cè)試結(jié)果

表3 的結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了表面狀態(tài)對(duì)抗彎強(qiáng)度及彎曲度變化的影響外，還反映了不同品種的硅片，抗彎強(qiáng)度高者，熱處理前后彎曲度變化較小。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)3

不同單晶制備工藝及尺寸對(duì)抗彎強(qiáng)度和彎曲度的影響，如表4。

表中數(shù)據(jù)位不同尺寸的單晶研磨片和腐蝕片因?yàn)樯a(chǎn)工藝不同，抗彎強(qiáng)度及熱處理前后的彎曲度變化是有差別的?？箯潖?qiáng)度大的，熱處理前后彎曲度較小。

表4 不同工藝的單晶測(cè)試結(jié)果

2 數(shù)據(jù)分析

硅器件高溫工藝過(guò)程中，硅片的翹曲或彎曲是各種應(yīng)力引起的塑性形變的結(jié)果，由于產(chǎn)生這些應(yīng)力的原因很多，除了硅器件高溫工藝因素外，單晶硅本身的內(nèi)在因素，如單晶生產(chǎn)及硅片加工工藝，硅片表面損傷，硅片位錯(cuò)密度及氧、氮等雜質(zhì)含量及形態(tài)也會(huì)引起應(yīng)力。

硅高溫塑性形變是位錯(cuò)在〈111〉面上滑移的結(jié)果，晶體中原有位錯(cuò)以及在高溫工藝中新產(chǎn)生的位錯(cuò)及他們的運(yùn)動(dòng)對(duì)單晶硅片層的滑移起著關(guān)鍵的作用，如硅片的表面損傷，內(nèi)部細(xì)微裂紋及其它缺陷或第二相沉淀。因?yàn)榇嬖诘膽?yīng)力場(chǎng)降低了位錯(cuò)成核的能量，大量形成新的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)進(jìn)行著機(jī)械的增殖和運(yùn)動(dòng)，最終導(dǎo)致硅片宏觀(guān)上的滑移形變。表2 和表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了上述分析，表3 中，直拉單晶的研磨硅片和化腐硅片比區(qū)熔單晶的研磨硅片和化腐硅片的彎曲度變化都小，這是因?yàn)橹崩瓎尉Ч柚泻斜葏^(qū)熔單晶硅中高兩個(gè)數(shù)量級(jí)的氧，氧與硅形成的硅氧絡(luò)合物集團(tuán)對(duì)位錯(cuò)有著釘孔作用，使直拉單晶硅中的位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)受阻，難以滑移形變所致。而區(qū)熔單晶硅中因缺少這種硅氧絡(luò)合物產(chǎn)生的應(yīng)力，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及增殖所需的臨界應(yīng)力較低，所以抗彎曲能力較弱。

硅片加工和硅器件生產(chǎn)流程中，硅片碎裂通常是沿〈111〉面碎裂，斷裂面一般都是整齊的〈111〉面。在抗彎強(qiáng)度測(cè)試中，無(wú)論是研磨片還是化腐片，〈111〉硅片的斷口通常呈60°或120°。研磨硅片由于表面損傷比較嚴(yán)重，在較低的外力下，就達(dá)到表面裂紋擴(kuò)張的極限應(yīng)力，硅片呈現(xiàn)大片的解離破碎，硅片的強(qiáng)度較低?；杵砻娲嬖谳^小的損傷或裂紋，拋光片表面的損傷和裂紋已去除，但硅片內(nèi)部還存在缺陷和細(xì)微裂紋，在進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試中，會(huì)由于內(nèi)部這些較小的裂紋或細(xì)微的裂縫尺寸決定硅片碎裂所需的最小外應(yīng)力，所以?huà)伖馄膹?qiáng)度比化腐片的高，化腐片強(qiáng)度比磨片高。而由于直拉硅中含硅氧絡(luò)合物，阻礙了大部分的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，限制了硅片內(nèi)部細(xì)微裂紋的形成和成長(zhǎng)，使得直拉硅碎裂所需的外力比區(qū)熔硅碎裂所需的外力大。所以抗彎強(qiáng)度的高低反應(yīng)了硅片在常溫下機(jī)械性能的好壞。

由上述分析可以發(fā)現(xiàn)，硅片在高溫下的形變翹曲度的大小和在常溫下碎裂是由于〈111〉面上的位錯(cuò)滑移或〈111〉面上的解離所致，高溫下的翹曲度與常溫下的抗彎強(qiáng)度之間的關(guān)系密切。各組對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出,硅片的表面損傷情況，單晶硅內(nèi)氧的含量及形態(tài)。不同生產(chǎn)工藝等因素對(duì)硅片抗高溫變形及抗破碎能力的影響是完全一致的。凡是熱處理后彎曲度變化小的，抗彎曲強(qiáng)度都比較大，即硅片的抗彎強(qiáng)度的大小可以間接反映硅片在高溫器件工藝中的抗彎變形能力。這對(duì)以后在硅片及后續(xù)器件的生產(chǎn)中控制彎曲度有很大的參考價(jià)值。

3 結(jié) 論

(1)硅片表面損傷狀況，氧含量及單晶硅的生長(zhǎng)和加工工藝等條件對(duì)硅片高溫抗變形能力及機(jī)械性能的影響規(guī)律是一致的，抗彎曲強(qiáng)度小的硅片，翹曲變形都比較嚴(yán)重。

(2) 高溫翹曲或彎曲度與常溫抗彎曲強(qiáng)度關(guān)系密切。硅片抗彎曲度的大小可以預(yù)示它的翹曲程度。

[1] 李見(jiàn). 材料科學(xué)與基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[2] 梁志德，王福. 現(xiàn)代物理測(cè)試技術(shù)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2003.