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300mm双面磨削硅片损伤层厚度检测


第 30 卷 专辑 Vol. 30 Spec. Issue









CHINESE JOURNAL OF RARE METALS

2006 年 12 月 Dec. 2006

300 mm 双面磨削硅片损伤层厚度检测

/>陈海滨 , 周旗钢, 万关良, 肖清华
( 有色金属研究总院有研半导体材料股份有限公司 , 北京 100088)
*

y

摘 要 : 测量 300 mm 双面磨削硅片损伤层厚度 , 不仅可以为优化双面磨削工艺提供科学依据 , 并最终可以减少双面磨削损伤层厚度 , 而且可以 有助于减少抛光时间 , 改善抛光硅片的几何参数。本文应用恒定腐蚀法和双晶衍射法测 量了 300 mm 硅片 双面磨削工艺后 的损伤层厚度 , 对 恒定腐蚀法进行了较深入的研究 , 并结合恒定腐蚀法的结果对硅片进行双晶衍射。 得出以下结论 : 杨氏腐蚀液因为对缺陷具有良好的择优性 能 , 可以用以损伤层厚度检测。 而硝酸腐蚀液因为对缺陷不具有良好的择优性能 , 因而不能用以损伤层厚度检测 ; 恒定腐蚀法可 以粗略测定 磨削硅片损伤层厚度 , 而双晶衍射法可以精确测定磨削硅片损伤层厚度 ; 根据恒定腐蚀法的测试结果来进行双晶衍射 , 可以减少测试样品的 数量 , 节省试验经费 ; 300 mm 直拉 P 型 < 100> 硅片经 2000# 砂轮双面磨削后的损伤层厚度为 12. 5 Lm 。

关键词 : 损伤 ; 恒定腐蚀 ; 双晶衍射 ; 300 mm 硅片 中图分类号 : TG1151 5 文献标识码 : A 文章编号 : 0258- 7076( 2006) - 0050- 05

目前, 信息产业已成为各国重点发展的产业, 信息产业的基础是集成电路( IC) 产业, 而集成电路 绝大部分是做在硅材料上 ( 全球 90% 的集成电路采 用硅片
[ 1]

腐蚀法的结果对硅片进行双晶衍射 测试, 从 而减 少了双晶衍射的测试次数 , 节省了实验费用。

) 。为满足集成电路成本降低和线宽减小

1
1. 1

原理简介
恒定腐蚀法原理 关于硅片损伤层结构和性质, 有很多模型 , 比

的要求, 一方面是硅片尺寸变的越来越大, 从 2004 年开始, 300 mm 硅片工艺线将逐步替代 200 mm 硅 片工艺线。另一方面, 硅片的面型精度和表面质量 也要求越来越高 , 采用特征线宽 0. 1 L m 的生产技 术要求 300 mm 硅片的平整度 < 0. 1 L m, 在 25 mm @ 40 mm 区域内的局部平整度 < 0. 07 L m, 表面粗 糙度达亚纳米级
[ 1]

较典型 的是 Hadamovsky 模 型, Hadamovsky 等认 为 硅片损伤层由多晶区 , 裂纹区, 过渡区, 弹性应变 区组成 , 如图 1 所示
[3]



硅片损伤层厚度就是 这四区域厚度 总和, 恒 定腐蚀法的原理就是损伤引起的应力场使腐蚀速

。 因此, 需要对硅片传统加工工

艺和设备进行改进 , 双面磨削工艺就是在 磨削阶 段取代单面磨削工艺而达到改进硅片加工质量的 先进工艺。硅片双面磨削过程中也会引入损伤 , 对 硅片损伤的研究不仅可以改善双 面磨削工艺, 而 且还能为后续的抛光工艺提供科 学的参考, 从而 改进抛光工艺, 并最终达到提高硅片表面 质量的 目的。目前, 可用于硅片表层损伤检测的方法主要 有: 择优腐蚀法 , 分步腐蚀法 , 截面显微观 测法, 角度抛光法 , 扫描电镜观察法 , 透射电镜观察法, 双晶衍射法, 红外显微镜观察法等 。本文应用恒 定腐蚀法和双晶衍射法对硅片损伤层进行了研究, 对恒定腐蚀法进行了较深入的研 究, 并结 合恒定
y 收稿日期 : 2006- 08- 20; 修订日期 : 2006- 09- 18
[ 2]

图 1 Hadamovsky 损伤层模型 Fig. 1 Sub - surface damage model by Hadamovsky

作者简介 : 陈海滨 ( 1978- ) , 男 , 江西人 , 硕士 * 通讯联系人 ( E -mail : chenhb21st@ sina. com)

专辑

陈海滨 等 300 mm 双面磨削硅片损伤层厚度检测

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率加快 , 随着损伤程度的减小, 腐蚀速率也随着减 小, 当腐蚀到无损伤 的晶体时 , 腐 蚀速率不 再变 化。因此 , 我们可以根据腐蚀速率的变化趋势来粗 略估计硅片损伤层厚度。 1. 2 双晶衍射原理 当 X 射线入射到晶体时, 晶体中的原子会对 X 射线产生散射作用, 对于两条散射线, 由干涉的原 理知: 当它们的光程差是其波长的整数倍时 , 这两 条散射线的强度将得到加强, 从而产生衍射。由图 2 知, 射 线 1A1c 和 2B2 c 的 光 程 差 为 CB + BD = 2 d sin H , 要产生衍射则必须 : nK = 2 d sin H 该式即为布拉格衍射方程 , 式中 n 为几何数, 数值 上等于相邻晶面的光程差 ( 波长) ; d 为晶体的衍射 面间距, 亦即晶格常量; H 为布拉格角, 即入射线 与衍射面的夹角。 普通 X 射线管发出的 X 射线 , 其波长是连续 的, 在粉末衍射仪中, 使用滤波片滤掉其他波长, 只留下 KA , 而 KA包括 KA 1 和 KA 2 , 它们的波长非 常接近 , 通常只差 0. 001 nm 左右。目前粉末衍射 仪在分析检测晶体方面得到了广 泛的应用, 在化 学、冶金、 材料等研究领域应用于晶体结构测定。 但是, 粉末衍射仪在分析近完整晶体时 , 遇到了问 题。在通常的近完整晶体中 , 缺陷、畸变等体现在 X 射线谱中只有几十弧秒 , 半导体材料进行外延生 长要求晶格失配 要达到 10
- 4

双晶衍射仪的构造如图 3, 根据布拉格公式可 知, 当一束 X 射线照射到一个晶体 A( 也叫参考晶 体) 表面时 , 只有符合条件的某一波长的 X 射线能 够在很小的角度范围内被反射 , 便可以得到 近单 色的并受到偏振化的窄反射线束 O1 O2 。如果在如 图 3 所示的位置加上适当的光阑 , 则可以得到近乎 准值的 X 射线束。用双晶衍射仪测量晶体样品时, 当晶体中存在宏观的弹性应变或位错等晶体缺陷 时, X 射线 衍射角度也在一 定大小范围内发 生变 化, 于是除引起 X 射线回摆曲线半峰宽增加外, 还 使入射角为布拉 格角的入射线 的反射本领降 低, 从而降低了衍射峰的强度。 由此我们可以看到, 在双晶体衍射体系中 , 当 两个晶体不同时 , 会发生色散现象。因而, 在实际 应用双晶衍射仪进行样品分析时 , 参考晶体 要与 被测晶体相同, 这使得双晶衍射仪的使用受 到限 制。为此 , 人们又开发出多晶衍射仪 , 如五晶衍射 仪等。五晶衍射仪的示意图如图 4 所示。 五晶衍射仪的核心是 四晶单色器 , 其中 晶体 1, 2 是同种晶体 , 且互相平行, 为 ( n , - n ) 排列, 故为无色散排列, 被晶体 1 所反射的 X 射线完全 被晶体 2 反射 , 完全被晶体 2 反射。晶体 2 与 3 之 间的排列是 ( n , + n ) 排列, 为有色散排列, 其位置 关系如图 5 所示的 DuMond 图。 由图 5 知 , 经过四晶单色器后, 一束白色 X 射 线变成了波长为 K , 宽度为 $K ( 一般宽度只有几弧 秒到十几弧秒) 的单色 X 射线 , 再用此束 X 射线进 行双晶衍射分析 , 即得到了单色, 准直的 X 射线, 不必像早期的双 晶衍射仪那样挑选参 考晶体 , 给

或更小, 为了测定这

些缺陷和晶格失配 , 要求入射 X 射 线具有更好的 单色性, 双晶衍射技术得到发展。

图 3 ( n , - n ) 型双 晶衍射示意图 Fig. 3 Illustration of ( n , - n ) double - axis diffraction

图 2 晶体的布拉格衍射示意图 Fig. 2 Illustrated of Bruggcs diffraction in crystal Fig. 4

图 4 X 射线五晶衍射仪 示意图 Illustration of X - ray five - ax is diffractometry

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图 6 腐 蚀速率变化趋势 图 5 ( n , + n ) 排列的双晶衍射 DuMond 图 Fig. 5 DuMond map of ( n , + n ) double - axis diffraction 表1 Fig. 6 Etching rate trend 硝酸腐蚀液磨 削硅 片腐蚀 厚度 ( 双 面 ) , 速率与 时间 对照表

分析研究工作提供了极大的方便 。 本论文采用的是 PHILIPS 公司生产的五晶衍射 仪, 结合前面恒定腐蚀法的测试结果进行取样 , 减 少了测试次数。

[ 4]

Table 1

Smooth surface after both - side etching rate by HNO3 solution

时间 P min 腐蚀厚度 P Lm 腐蚀速率 P ( Lm # min
- 1

1 5 ) 5

2 10 5

3 15 5

4 20 5

5 25 5

6 30 5

7 35 5

8 40 5

2

结果与讨论
本实验磨削所用硅片为直拉 P 型< 100> 方向

出速率差异, 而经硝酸腐蚀液腐蚀后的磨削 硅片 则没有表现出这种速率差异。这正说明硅片 损伤 层由于存在应力场 , 相比完整层具有较高的能量, 这种硅片经杨氏腐蚀液腐蚀时 , 损伤层的腐 蚀速 率要高于完整层的腐蚀速率 , 也即说明杨氏 腐蚀 液对损伤层具有择优腐蚀性 , 但是硝酸腐蚀液则不 具有这种择优腐蚀性。从图 7 可以进一步看出, 由 于抛光片的损伤层非常薄 ( 1~ 2 L m) , 所以抛光片经 杨氏腐蚀液腐蚀 1 min 后其腐蚀速率几乎没有变化, 图 7 中腐蚀速率在一些小范围的波动可以认为是测 量误差所致。从图 6 可以粗略估计 300 mm 硅片经

单晶硅 , 双面磨削机使用的是日本 Koyo 公司制造 的 DXSG320 机型。其中磨 削 实验 砂轮 采用 5 160 mm 杯形树脂结合剂金刚石砂轮 , 2000 砂轮磨粒 粒径为 6~ 8 L m, 砂轮转速为 5000 r#min , 硅片转
- 1 #

速为 35 r#min , 磨削后硅片规格为 5 300 mm @ 825
- 1

mm 。 五晶衍射仪采用 PHILIPS 公司生产的 xcpert 机 型, 其 2 H 角为 69. 13b, 所用 X 射线为由 Cu 靶发出 的 KA 1 射线, 所用功率为 40 kV @ 40 mA, 样品步进 速度为 2 @ 10 ( b) #min 。
- 4 - 1

2. 1

恒定腐蚀法 实验所 用腐蚀液分别 为杨氏腐蚀液
[ 5]

( H 2 OB

2000 砂轮磨削后单面损伤层厚度为13 L m。
#

HF49% BCrO3 = 500 mlB500 mlB75 g) 和硝酸腐蚀液 ( HNO3 BHF49% B醋酸 = 360 mlB60 mlB60 ml ) , 常温 下, 硅 片 在 杨 氏 腐 蚀 液 每 腐 蚀 2 min 用 Mi crosense6034 厚度测试仪检测厚度一次, 实验结果 见图 6。 在硝酸腐蚀液则每腐蚀 1 min 测试一次, 实验 结果见表 1。 此外, 为验证本实验的可靠 性, 采用 300 mm 双面抛光硅片在杨氏腐蚀液中进 行腐蚀, 实验结 果如见图 7。 由图 6 和表 1 知 , 300 mm 磨削硅片经杨氏腐 蚀液腐蚀后在 13 L m( 单面) 处有一转折点, 即表现

以上分析可以从图 8~ 10 得到验证, 其中图 8 是硅片磨削后未经腐蚀的光学显微镜图 , 图 9 是硅 片磨削后经杨氏腐蚀液双面腐蚀 40 L m 的光学显 微镜 图 , 图 10 是硅片磨削 后经硝酸腐蚀 液双面腐

图 7 腐 蚀速率变化趋势 Fig. 7 Etching rate trend

专辑

陈海滨 等 300 mm 双面磨削硅片损伤层厚度检测

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蚀 40 L m 的光学显微镜图。 从上图可以看出 , 杨氏 腐蚀液双面腐 蚀硅片 40 L m 后其表 面还保留未腐 蚀硅片表面的 磨削痕 迹, 而硝酸腐蚀液双面腐蚀硅片 40 L m 后其表面则 看不到这种痕迹。说 明对杨氏腐 蚀液, 硅片 表面 有磨削痕迹的区域 ( 存在大量缺陷 ) 的腐蚀速率要

比没有磨削痕迹的区域快 , 即杨氏腐蚀液对 缺陷 具有择优性。硝酸腐蚀液则不具有这种速率差异, 因而对缺陷不具备择优性。 2. 2 双晶衍射法 通过上面恒定腐蚀法我们初步估计 300 mm 硅 片经 2000 砂轮磨削后单面 损伤层厚度为 13 L m,
#

因此我们进行双晶衍射测试时 , 可以将硅片 双面 分别腐蚀掉 19, 21, 23, 25, 27 L m, 这样可以减少 测试样品的数量 , 节省实验经费。双面腐蚀掉 21, 23, 25 L m 的摇摆曲线图见图 11~ 13。 硅片双面分别腐蚀掉 19, 21, 23, 25, 27 L m的 半峰宽变化趋势图见图 14。 从图 11~ 14 可以看出 , 随着硅片样品腐蚀厚 度的增加, 双晶衍射所得摇摆曲线半峰宽降低 , 衍 射峰强度增加, 这正说明样品表面越来越接 近完
图8 磨削硅片未腐蚀表面光学显微相 ( @ 1000) Fig. 8 Cross -mark after grinding

整层, 达到完整层后 , 摇摆曲线半峰宽不再变化。 由图 14 可以得到 300 mm 硅片经 2000 砂轮磨削
#

图9

磨削硅片杨氏腐 蚀液 双面腐 蚀 40 Lm 表 面光学 显微 相 ( @ 1000) 图 11 双面腐蚀掉 21 Lm 的摇摆曲线 Fig. 11 Rocking curve after both - side etching 21 L m

Fig. 9 Residual mark after both - side etching 40Lm by -Yang . so lution

图 10 磨削硅片硝酸腐蚀液双面腐蚀 40 Lm 表面 光学显微 相 ( @ 1000) Fig.10 Smooth surface after both - side etching 40 L m by HNO3 solution

图 12 双面腐蚀掉 23 Lm 的摇摆曲线 Fig. 12 Rocking curve after both - side etching 23 L m

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1. 杨氏腐蚀液因为对缺陷不具有良好的择优 性能, 因而不能用以损伤层厚度检测。而硝酸腐蚀 液因为对缺陷不具有良好的择优性 能, 因而 不能 用以损伤层厚度检测。 2. 恒定腐蚀法可以粗略测定磨削硅片损伤层 厚度, 而双晶衍射法可以精确测定磨削硅片 损伤 层厚度。 3. 根据恒定腐蚀法的测试结果来进行双晶衍
图 13 双面腐蚀 25 L m 的摇摆曲线 Fig. 13 Rocking curve after both - side etching 25 Lm

射, 可以减少测试样品的数量, 节省试验经费。 4. 300 mm 直拉 P 型< 100> 硅片经 2000 砂轮 双面磨削后的损伤层厚度为 12. 5 L m。 参考文献:
[ 1] 郭东明 , 康仁科 , 金诛吉 . 大尺寸硅片的高效超 精密加工技
#

术 [ M] . 中国机械工程学会 , 机械工业出版社 , 2002. 12. [ 2] 张顺利 , 康仁科 . 超精密磨削硅片表层损伤检测的试验研究

[ D] . 大连理工大学 , 2005. 12. [ 3] Atte Haapalinna, Saulius Nevas, Dietmar P?hler. Rot ational grind -

图 14 半峰宽蹬变化趋势图 Fig. 14 Trend of FWHM
[ 4]

ing of silicon wafers -sub -surface damage inspection [ J] . Materials Sci ence and Engineering, 2004, B107: 321. 王 浩 , 廖常俊 , 范广涵 . X 射线双晶 衍射技术的发 展及应

后单面损伤层厚度为 12. 5 L m, 这与上面由恒定腐 蚀法测得的结果基本相符合。因此 , 双晶衍射法可 以精确测定磨削硅片损伤层厚度。
[ 5]

用 [ J] . 大学物理 , 2001, 20( 7) : 30. Pei Z J, Billingsl ey S R, Miura S. Grinding induced subsurface

cracks in silicon wafers [ J] . Int ernational Journal of M achine Tools & M anufacture, 1999, 39: 1103.

Subsurface Damage Depth Measurement of Double -Side Grinding of 300 mm Silicon Wafer
Chen Haibin , Zhuo Qigang, Wan Guanliang, Xiao Qinghua ( Youyan Semiconductor Materials Co. , Ltd. , General Research Institute f or Non -Ferrous Metals, Beij ing 100088, China)
Abstract : The subsurface damage depth measurement of double side grinding of 300 mm silicon wafer can not only give a correct basis for process improvement and reduce the subsurface damage depth of double side grinding, but also help reduce polishing time to improve geometry pa rameter of polished wafer. Etching and -double crystal diffraction. were used to measure the subsurface damage depth of double side grinding of 300 mm silicon wafer, and a deep research was done in etching. A test in sili con wafer by double crystal diffraction was conducted. Experiments results show that the -yang . solut ion can measure the subsurface damage depth due to its good se lection to defect, but HNO3 solut ion can not do it be cause it has no selection to defect; etching can measure subsurface damage depth inaccurately and double crystal diffraction can measure it accurately; reduced test num ber was to save the experiment cost; the subsurface dam age depth of 300 mm P type CZ silicon < 100> wafer # after double side grinding by 2000 diamond wheel is 12. 5 L m.
*

Key words: damage; etching; double crystal diffraction; 300 mm silicon wafer


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