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硅晶材料表面的研磨 抛光技术

未知点击次数:更新时间:2012-11-05【打印】【关闭】

1、引言    电子信息产业已经发展成为囯民经济与社会发展的第一大支柱产业,而电子信息产业的基础产业是集成电路(IC)产业。目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路(IC)是用硅材料制成的。    
商业化利用太阳能已成为世界趋势。欧盟、日本和美国都在致力于开发可再生能源如太阳能,以提高能源供应的安全性。中国在2008年后成为世界上最大的太阳能利用国之一。太阳能已成为中国能源新的希望,将为解决石油和煤炭价格上涨以及电力短缺带来契机。    硅系太阳能电池包括单晶硅电池、多晶硅薄膜电池等,其中单晶硅太阳能电池转换效率最高,光电转换率可以达到23%,在现阶段的大规模应用和工业生产中占主导地位。    
2、抛光方法    抛光(Polishing)是使工件表面成为平滑镜面的超精密加工技术,其目的在于使工件的表面粗糙度及平坦度达到一定的可容许范围。抛光不仅增加工件的美观,而且能够改善材料表面的性能,增加工件的使用寿命。  
  目前常用的抛光方法有:    
(1)机械抛光,是靠切削、材料表面塑性变形去掉工件表面凸出部分而得到平滑的抛光方法。   
 (2)电化学抛光,是一种以电解溶出的原理来去除金属的抛光方法。   
 (3)流体抛光,是依靠高速流动的液体及其携带的磨粒冲刷工件表面达到抛光的目的。    
(4)磁流变抛光(Magnetorheological Finishing,MRF),是一套数控抛光系统,能够抛光平面、球面及非球面。目前磁流变抛光可在直径10~200mm镜片加工,而且非球面的形状精度可达0.1~0.6μmp-v。   
 (5)化学机械抛光(Chemical Mechinical Polishing,CMP),是机械削磨和化学腐蚀的组合技术。    
(6)渐进式机械化学抛光(Progress Mechanical and Chemical,P-MAC)。    
(7)液动压抛光(Hydro dynamic Polishing,HDP),是一种创新的超精密研磨加工法,加工后工件表面的形状精提升到0.1μm,表面粗糙度达到纳米级。    本文主要对化学机械抛光在硅材料加工中的有关技术问题做些阐述。    

3、化学机械抛光技术    为满足芯片微型化、高密度化、高速化、高数字化和系统集成化的要求,对芯片直径、平坦化、线宽和金属互连层数提出了更高要求,这也对晶片的精密加工提出了更高要求。    半导体晶圆(芯片)加工工艺流程如图1所示。    由于大规模集成电路(ULSI)向高度集成和多层布线发展,化学机械抛光、平坦化已成为集成电路制造不可缺少的关键工艺。它不仅是硅晶圆加工中最终获得纳米级超光滑、无损伤表面的最有效方法,也是芯片多层布线中不可替代的层间局域平坦化方法。在晶圆(芯片)制造过程中(见图1)多次使用CMP工艺。    化学机械抛光过程(见图2)使用安装在刚性抛光平盘上的柔性抛光垫,硅片被压在抛光垫上,在抛光液的作用下进行抛光,抛光液含有化学液(即双氧水H2O2)和纳米级磨料。硬的硅基陶瓷材料由磨料的机械作用抛光,而金属则由金属和抛光液内的化学物质之间的化学反应进行抛光,即采用化学与机械方法综合作用去除多余材料而得到平坦化的高质量表面。    

   4、化学机械抛光金刚石修整器    修整器的性能要求十分严格,首先金刚石不能脱落,否则会划伤晶圆表面;其次,金刚石分布要均匀,金刚石尖端必须朝上,出刃高度一致。因此,采用真空钎焊和金刚石有序排列的制作方法比较合适。    日本ASAHI(旭日)金刚石工业公司在研发金刚石化学机械抛光垫修整器过程中,采用规则均布金刚石技术,开发了三种类型CMP修整器。    (1)CMP-CS型修整器:金刚石用Ni,Cr胎体材料强力地化学结合把持,以防止金刚石脱落。金刚石在胎体材料上的分布具有重复性,故其性能非常稳定。    (2)CMP-MEO-UP型修整器:其特点是金刚石规则均布。每颗金刚石由Ni基胎体单独专门把持与固定,使金刚石的脱落减少到最低程度。    (3)CMP-NEO-U型修整器:其特点是,金刚石规则均布、金刚石出露高度可控、金刚石刃端定向排列一致。(如图3)    图3 CMP-NEO-U修整器特点示意图    对金刚石化学机械抛光垫修整器的性能要求是:    (1)不能有金刚石脱落,否则使晶圆表面产生划痕、刮伤与瑕疵。    (2)具有恒定的晶圆去除率,以保证抛光的质量与稳定。    (3)必须有很长寿命,因在晶圆抛光整个成本中,修整器所占比例最大。    (4)批量生产中要求修整器稳定如一。     为满足上述要求,金刚石修整器的设计应具有以下特点:    (1)不能脱落。    (2)金刚石磨料分布有适当的间距。    (3)金刚石磨料凸出必须处在同一水平。    (4)金刚石晶粒必须充分暴露。    (5)金刚石胎体金属必须耐磨与防浸蚀。     以下介绍两种国外修整器    (1)韩国新韩公司低密度型DET-M修整器        (2)台湾KINIK公司新型PCD修整器    台湾KINIK公司金刚石修整器的设计特点由图4充分显示与说明。金刚石以固定的间距按预先设计模式(Diamond Grid)排列,金刚石突出高度与水平都严格控制,整个表面镀覆一层不易损坏的纳米金刚石保护层(Diamond Shield),防止酸性冲洗液对基体金属的浸蚀和冲洗液中溶融的金属铜对芯片电路的损害。    

 

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