硅片加工损伤机理的压痕、划痕研究

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1、万方数据R要拦筮删烛硅片加工损伤机理的压痕、划痕研究lndentationandScratchStudyOntheSiliConWa受rMachinedDamageMecha伍sm郜伟。张银霞(郑州大学机械工程学院，河南郑州450001)a-'■．啦啊r■-(schoolofMech柚icalEn咖ecrillgofzhengzllouuIlivc商ty。H∞蛆zhengzllou450001)摘要：系统地分析了硅片的压痕，划痕的损伤机理，指出单晶硅压痕、划痕的损伤形式主要有微裂纹、位镨、面缺陷、非晶及多晶

2、相变等，材料的塑性去除和单晶硅的金属相变(Si—lI相)有关。该研究对分析单晶硅片嘲械加工过程中材料的损伤机理有重要的指导意义。关键词：硅片；损伤机理；压痕；划瘦中圈分类号：TN305文献标识码：B文章编号：l003～0107(2008)()8一0044一04^咖c七Thedama口em∞hani8m}ndu∞dbyindema“onandscratchmg}ssyst斜nal；caI

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6、chanicaImachining．鬈●—w岫SiIjconwafers；O甜豫10em9棚ism；Ind斟1t8tIon；ScfgIchinga嚣nur叫，·ETN3D5Do叫m佩∞d靠B^州■●●啦帕03一0107l绷瑚—)044-04．1引言集成电路(Ic)是现代信息产业和信息社会的基础，是推动国民经济和社会信息化发展最主要的高新技术之一，也是改造和提升传统产业的核心技术。Ic所用的材料主要是硅、锗和砷化镓等，其中硅器件占世界上出售的所有半导体器件的90％以上，半导体硅已成为生产规模最大、单晶直径最大

7、、生产工艺最完善的半导体材料，它是固态电子学及相关的信息技术的重要基础川。因此，可以说Ic的发展离不开晶体完整、高纯度、高精度、高表面质量的硅片，硅片表面层质量直接影响着器件的性能、成品率以及寿命。随着Ic制造技术的飞速发展，为了提高Ic的集成度，要求硅片的刻线宽度越来越细。相应地，对硅片表面层质量的要求也日益增高，即要求硅片表面高度平整光洁，几何尺寸均匀，有精确的定向，表面层无任何的损伤。然而，从硅单晶锭到单晶硅片需要一系列的机械和化学加工过程，如切、磨、抛等。在硅片切割、研磨，磨削等加工过程中会不可避免

8、地在硅片表面产生微划痕、微裂纹、残余应力、晶格畸变等加工损伤㈣。然而，硅片加工表面层损伤及加工表面层物理化学性质的任何微小变化都会导致器件成为废品，因此，研究硅片加：r=损伤机理对相应工艺过程中获得低损伤或无损伤硅片具有重要的指导意义。单晶硅片在加工和应用过程中都经历机械作用即接触加载，这种加载过程往往伴随着塑性变形、微观／宏观断裂、材料晶体结构的变化以及接触体之间的机械化学作用。由于研究接触表面层的结构特性比较困难，并且试验量很大，会造成材料的浪费。因此，很多学者通过单晶硅片的压痕、划痕及单点金刚石加工来

9、研究单晶硅片机械加工表面层的损伤机理及材料去除机理，而硅片的切割、研磨、磨削、抛光等的损伤机理研究相对较少删。本文分析了单晶硅的压痕、划团圣·詹·痕的损伤机理，从而为研究硅片的损伤机理及实现硅片的塑性加工提供指导，有助于最终实现硅片的无损伤超光滑表面的高效率加工。2单晶硅片的压痕分析压痕法是通过对压头施以不同载荷来研究单晶硅材料的接触损伤特性，该方法可以通过改变加、卸载速率从而精确地引入损伤，便于对压头施以不同载荷以激发材料的塑性变形，却不至于使材料破碎。并且压痕法还具有所需试样小、操作简单以及精度较高等优

10、点。因此，自晶体管问世以来，单晶硅的压痕形状、压痕边缘裂纹扩展以及相关的微观结构变化在过去的十几年里一直是人们研究的焦点15．6．”12

11、。L．c．zhallg和I．zamdi等对压痕载荷从30InN到100mN的单晶硅压痕损伤的微观结构变化进行了系统的透射电子显微(TramrnissionE1ec∞nMicroscope，TEM)分析p^q，结果如图1所示。研究指出，压痕过程中的静水压力使得金刚石结构的si—I