大气压等离子体横向刻蚀抛光单晶硅晶圆的工艺研究
发布时间：2021-09-02 16:55
随着半导体产业尤其是集成电路制造技术的快速发展,单晶硅晶圆的尺寸越来越大,目前应用最为主流的是12英寸的大口径晶圆。随着晶圆尺寸的增长,传统加工工艺所面临的挑战日益增加,由于磨削、研磨以及化学机械抛光等工艺均需要对晶圆施加一定的压力,在压力的作用下,晶圆非常容易发生应力集中从而产生亚表面损伤甚至出现晶圆破裂,这对于晶圆的加工十分不利。此外,化学机械抛光具有较低的材料去除率,这使得抛光工艺的时间成本较高。基于上述背景,我们提出一种名为大气压等离子体横向刻蚀抛光的单晶硅晶圆超精密加工技术。基于大气压等离子体横向刻蚀抛光技术,有望在无应力作用前提下实现大尺寸单晶硅晶圆的高效超精密抛光。本论文对大气压等离子体横向刻蚀抛光单晶硅晶圆的工艺与机理研究进行了总结,主要包括工艺参数对材料去除率的影响、加工过程中样品表面粗糙度与表面形貌的变化、加工后亚表面状况与表面成分分析以及工艺的抛光机理。第一章介绍了课题背景与研究目的,对国内外在超精密加工以及大气压等离子体加工方向的研究现状进行了介绍。第二章介绍了电感耦合等离子体的产生,并对大气压等离子体横向刻蚀抛光工艺所需的实验设备与结构构成进行了介绍。最后,详...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单晶硅的金刚石结构
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-一样对材料进行抛磨加工，随着摩擦的进行，冰会不断的进行熔化，并在工件与样品之间形成一层稳定的水膜，在这层水膜的作用下，接触式抛光工艺变为准接触式抛光。在此基础上，王立江教授等人提出了一种名为无磨料低温抛光的方法[28,29]。此种方法也是利用冰制抛光盘进行加工，但是冰中无磨料，而是利用摩擦熔化产生的水与玻璃表面发生水解作用，并利用冰面对其进行去除与“熨平”。图1-2接触式抛光工艺示意图a）化学机械抛光示意图[2]b）化学机械磨削装置图与加工结果图[20]c）浴法抛光示意图[23]1.2.3非接触式抛光工艺（1）浮法抛光（FloatPolishing）1977年，Y.Namba首次提出该种抛光方法。该技术使用具有很高平面度的由金属锡制成的抛光盘，抛光液含有多种氧化物磨料，包括SiO2，Al2O3以及GeO2等。在抛光过程中，待加工表面与锡盘都浸没在抛光液中，工件按照一定速度进行自转，自转过程会形成动压，使得工件浮于抛光盘之上，并且在待加工表面与抛光盘之间形成一层抛光液组成的薄膜。细微磨粒随着抛光液进行运动，并与被加工样品表面不断作用，从而实现材料的去除[30-32]。此外，在加工过程中，抛光液中的较大颗粒的磨粒与被去除的材料会由于离心力的作用，逐渐被甩出加工区域，从而保证被加工样品表
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-7-面不会产生明显的划痕与二次破坏，留下的更加均匀细微的磨粒可明显改善表面粗糙度。其装置结构如图1-3所示。根据相关研究报道，此加工方法最终可以达到0.1nm的表面粗糙度，并且无亚表面损伤。图1-3浮法抛光示意图[32]（2）水面滑行抛光（HydroplanePolishing）该种方法与浮法抛光具有类似之处，此种方法同样是利用流体动压，使得样品浮于被特制材料保护的抛光垫之上。然而其实现材料去除的方法是通过化学腐蚀，而非机械作用。在抛光盘与样品之间的流体动压区域，样品会与具有化学腐蚀性的抛光液进行反应，并使得反应产物溶于液体，这样反应产物便可以随着抛光液及时的排出，从而实现对于材料的去除。此种加工方法最早于上世纪八十年代，由J.V.Gormley提出，该方法具有无机械损伤以及高去除率等优点[33]。（3）离子束抛光（IonBeamFiguring，IBF）离子束抛光是一种纯物理加工方法。在这种加工方法进行过程中，会先将惰性气体原子进行离子化，然后利用高压对惰性气体离子进行加速，使其具有很高的能量并形成离子束。利用这种离子束对样品表面进行轰击，则可以将惰性气体离子视为“磨粒”，通过碰撞过程将能量传递给样品表面原子，并使得一部分原子可以从样品表面“剥离”，从而达到材料去除的目的[34,35]。其加工过程如图1-4所示。该种方法最早于二十世纪七十年代被发展起来。由于其去除过程都是在原子层面进行操作，因此这种加工方法可以达到非常低的粗糙度，并可进行非常精准的区域修整与加工从而提高形状精度，但是这也带来了其材料去除率非常低这一问题。与此技术相类似的还有气体团簇离子束技术（GasClusterIonBeam，GCIB），与离子束抛光不同的是，这一技术可以利用原子团簇对样品表面进行加工。?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Formation of subsurface cracks in silicon wafers by grinding[J]. Jingfei Yin,Qian Bai,Yinnan Li,Bi Zhang. Nanotechnology and Precision Engineering. 2018(03)
[2]大气等离子体抛光技术在超光滑硅表面加工中的应用[J]. 张巨帆,王波,董申. 光学精密工程. 2007(11)
[3]超光滑表面加工技术的发展及应用[J]. 于兆勤,杨忠高,黄志刚,黄小舟,郭钟宁. 机床与液压. 2007(06)
[4]无磨料低温抛光的工艺方法研究[J]. 刘向阳,郁鼎文,王立江,孙国梓. 机械设计与制造. 2005(01)
[5]光学材料无磨料低温抛光的试验研究[J]. 刘向阳,王立江,高春甫,吴校生,刘巍娜. 机械工程学报. 2002(06)
博士论文
[1]直拉硅单晶中Ⅳ族元素杂质的效应[D]. 赵剑.浙江大学 2017
[2]IC制造中硅片化学机械抛光材料去除机理研究[D]. 苏建修.大连理工大学 2006
[3]单晶硅片超精密磨削加工表面层损伤的研究[D]. 张银霞.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]硅基材料的电感耦合等离子体射流加工技术研究[D]. 金江.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3379381
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单晶硅的金刚石结构
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-一样对材料进行抛磨加工，随着摩擦的进行，冰会不断的进行熔化，并在工件与样品之间形成一层稳定的水膜，在这层水膜的作用下，接触式抛光工艺变为准接触式抛光。在此基础上，王立江教授等人提出了一种名为无磨料低温抛光的方法[28,29]。此种方法也是利用冰制抛光盘进行加工，但是冰中无磨料，而是利用摩擦熔化产生的水与玻璃表面发生水解作用，并利用冰面对其进行去除与“熨平”。图1-2接触式抛光工艺示意图a）化学机械抛光示意图[2]b）化学机械磨削装置图与加工结果图[20]c）浴法抛光示意图[23]1.2.3非接触式抛光工艺（1）浮法抛光（FloatPolishing）1977年，Y.Namba首次提出该种抛光方法。该技术使用具有很高平面度的由金属锡制成的抛光盘，抛光液含有多种氧化物磨料，包括SiO2，Al2O3以及GeO2等。在抛光过程中，待加工表面与锡盘都浸没在抛光液中，工件按照一定速度进行自转，自转过程会形成动压，使得工件浮于抛光盘之上，并且在待加工表面与抛光盘之间形成一层抛光液组成的薄膜。细微磨粒随着抛光液进行运动，并与被加工样品表面不断作用，从而实现材料的去除[30-32]。此外，在加工过程中，抛光液中的较大颗粒的磨粒与被去除的材料会由于离心力的作用，逐渐被甩出加工区域，从而保证被加工样品表
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-7-面不会产生明显的划痕与二次破坏，留下的更加均匀细微的磨粒可明显改善表面粗糙度。其装置结构如图1-3所示。根据相关研究报道，此加工方法最终可以达到0.1nm的表面粗糙度，并且无亚表面损伤。图1-3浮法抛光示意图[32]（2）水面滑行抛光（HydroplanePolishing）该种方法与浮法抛光具有类似之处，此种方法同样是利用流体动压，使得样品浮于被特制材料保护的抛光垫之上。然而其实现材料去除的方法是通过化学腐蚀，而非机械作用。在抛光盘与样品之间的流体动压区域，样品会与具有化学腐蚀性的抛光液进行反应，并使得反应产物溶于液体，这样反应产物便可以随着抛光液及时的排出，从而实现对于材料的去除。此种加工方法最早于上世纪八十年代，由J.V.Gormley提出，该方法具有无机械损伤以及高去除率等优点[33]。（3）离子束抛光（IonBeamFiguring，IBF）离子束抛光是一种纯物理加工方法。在这种加工方法进行过程中，会先将惰性气体原子进行离子化，然后利用高压对惰性气体离子进行加速，使其具有很高的能量并形成离子束。利用这种离子束对样品表面进行轰击，则可以将惰性气体离子视为“磨粒”，通过碰撞过程将能量传递给样品表面原子，并使得一部分原子可以从样品表面“剥离”，从而达到材料去除的目的[34,35]。其加工过程如图1-4所示。该种方法最早于二十世纪七十年代被发展起来。由于其去除过程都是在原子层面进行操作，因此这种加工方法可以达到非常低的粗糙度，并可进行非常精准的区域修整与加工从而提高形状精度，但是这也带来了其材料去除率非常低这一问题。与此技术相类似的还有气体团簇离子束技术（GasClusterIonBeam，GCIB），与离子束抛光不同的是，这一技术可以利用原子团簇对样品表面进行加工。?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Formation of subsurface cracks in silicon wafers by grinding[J]. Jingfei Yin,Qian Bai,Yinnan Li,Bi Zhang. Nanotechnology and Precision Engineering. 2018(03)
[2]大气等离子体抛光技术在超光滑硅表面加工中的应用[J]. 张巨帆,王波,董申. 光学精密工程. 2007(11)
[3]超光滑表面加工技术的发展及应用[J]. 于兆勤,杨忠高,黄志刚,黄小舟,郭钟宁. 机床与液压. 2007(06)
[4]无磨料低温抛光的工艺方法研究[J]. 刘向阳,郁鼎文,王立江,孙国梓. 机械设计与制造. 2005(01)
[5]光学材料无磨料低温抛光的试验研究[J]. 刘向阳,王立江,高春甫,吴校生,刘巍娜. 机械工程学报. 2002(06)
博士论文
[1]直拉硅单晶中Ⅳ族元素杂质的效应[D]. 赵剑.浙江大学 2017
[2]IC制造中硅片化学机械抛光材料去除机理研究[D]. 苏建修.大连理工大学 2006
[3]单晶硅片超精密磨削加工表面层损伤的研究[D]. 张银霞.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]硅基材料的电感耦合等离子体射流加工技术研究[D]. 金江.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3379381
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