CN105047528B - 一种用于制备大面积柔性超薄单晶硅片的湿法化学腐蚀法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于半导体技术领域的一种用于制备大面积柔性超薄单晶硅片的湿法化学腐蚀法。本发明采用N（100）双面抛光单晶硅片，利用丙酮、无水乙醇、去离子水和氢氟酸预处理得到清洁的硅表面，配制由氢氧化钾、异丙醇和去离子水均匀混合而成的减薄液并放入水浴中预热，然后把用夹具固定好的硅片浸入减薄液，通过控制反应时间和温度可获得所需厚度的超薄硅片。超薄硅片表面光亮平整，呈镜面效果，无明显的减薄缺陷。本发明利用单步法简化硅片减薄的工艺过程，并保持了低温、常压下湿法腐蚀的特征，首次获得了厚度可达10mm以下的超薄硅片，拓宽了湿法硅刻蚀的应用范畴，为硅片减薄工艺提供了新的思路和技术手段。

Description

一种用于制备大面积柔性超薄单晶硅片的湿法化学腐蚀法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及在便携、超薄、快速散热半导体器件制备中使用的一种超薄单晶硅片的制备方法。具体涉及一种用于制备大面积柔性超薄单晶硅片的湿法化学腐蚀法。

背景技术

硅片减薄技术能够达到较高的生产效率和简便的厚度控制，最早应用于内圆切片引起的硅片切割缺陷处理。随着集成电路封装工艺的飞速发展，电子终端设备的微型化、便携化和智能化对芯片封装结构的改进与散热效率的提高提出更高的要求，超薄芯片（<50mm）已成为微型智能器件堆叠/3D封装的主要构件。现如今，在世界范围内硅片减薄技术仍然是一个科技难题。因此，对硅片减薄技术的探索和开发具有极高的学术意义和实用价值。

在传统的机械减薄技术工艺下，最多只能将硅片从晶圆加工后的原始厚度减薄到120mm左右，且减薄后会在硅片表面甚至内部残留一些损伤和内应力，这个厚度可以应对传统减薄工艺中各个工序对硅片的损伤和内应力。如此减薄的硅片，当厚度在120mm左右，由于其本身的刚性可以保持平整的状态。当厚度在50mm以下，则显现出很强的脆性和不稳定性，在传统加工和转移过程中极易破裂损坏。除不能满足减薄要求外，传统减薄工艺过程繁琐、设备要求高，磨削排出的粉尘不能回收且污染环境；且需要高温条件、耗能太大。所以传统的机械减薄工艺具有非常大的局限性。与之相比，化学湿法腐蚀技术由于其操作简单、工艺条件要求低等独特的优势，得到了深入的发展和广泛的应用。本发明采用化学湿法各向异性腐蚀的原理，实现了单步法对硅表面的均匀腐蚀，获得了表面光滑平整的超薄单晶硅片（＜50mm）；且可按需要控制反应条件，进一步制备出厚度在10mm以下具有超强机械柔性的超薄硅片。这种硅片减薄技术具有明显的优势：首先，减薄后的硅表面光滑平整，且不会出现裂纹和崩边；其次，低温常压下湿法化学刻蚀，单步实现硅片减薄，不需要复杂的高温加热设备与镀膜仪器，可重复性好，成本低，易于工业化生产；最后，硅片的尺寸不受限制。因此，开发这种简单、高效的硅片减薄技术具有很好的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于制备大面积柔性超薄单晶硅片的湿法化学腐蚀法。其特征在于：利用强碱能腐蚀硅和保护剂在刻蚀过程中能保护硅片表面的特性，将预处理后的硅片浸入“水/强碱/保护剂”均匀混合的减薄液中，恒温水浴环境下一步即可实现硅片的均匀减薄；减薄厚度可以自由控制，最薄可以达到10mm以下。具体步骤如下：

a.硅片预处理：依次利用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗，每步超声完都用大量去离子水冲洗，此过程可除去硅片表面附着的灰尘和有机污染物等杂质；再用氢氟酸浸泡，去除硅片表面的氧化层；然后去离子水冲洗，得到清洁的硅表面；

b.减薄液配制：在聚四氟乙烯容器中配制一定浓度范围的“水/强碱/保护剂”混合溶液，放在磁力搅拌器上搅拌10~20分钟，使溶液充分混合，然后放入水浴中预热；

c.硅片的减薄：把预处理好的硅片用夹具固定好，然后连同夹具一起竖直浸没到减薄液中，可以观察到硅片两侧立刻生成大量气泡；采用这种方法，只要反应容器足够大，硅片的尺寸不受限制；

d.厚度的控制：减薄液配比和水浴温度恒定的情况下，控制反应时间即可获得特定厚度的硅片：反应一定时间后，将硅片取出，迅速用大量去离子水冲洗数次；

e.吹干保存：快速用氮气将超薄硅片表面的水渍彻底吹干，干燥箱中干燥，然后放入干燥器中保存。减薄后得到的超薄硅片在肉眼下可观察到硅表面光亮平整，且边缘无崩边、微裂纹等缺陷；当硅片厚度达到15mm以下时，即可允许波长较长的红光透过。

所述步骤a采用的氢氟酸的质量百分比浓度为5%~10%；

所述步骤b减薄液中采用的强碱为氢氧化钾，保护剂为异丙醇或者正丁醇；

所述步骤c采用的减薄液中，氢氧化钾的质量百分比浓度为45%~50%，异丙醇或正丁醇的质量百分比浓度为12%~16%；

所述步骤d采用的水浴温度为70℃~90℃；

所述硅片为N型（100）取向双面抛光单晶硅片，其电阻率在1~5 W·cm。

本发明的优势是采用本发明的方法能够简易地制备出高质量的超薄单晶硅片，且厚度可控。总结为以下三点：

（1）工艺简单、成本低。本发明用到的方法不需要高温、高压和大型设备，仅在低温、常压下使用水浴锅和简单夹具即可单步法实现硅片减薄；

（2）成品质量高，尺寸无限制。本发明的减薄方法不涉及物理应力，减薄的硅片呈镜面效果，无明显缺陷，易于与当前的抛光技术相结合而形成产业化应用；

（3）厚度可控。控制反应温度和反应时间即可制备出特定厚度的超薄硅片。

附图说明

图1是N型（100）Si减薄前与减薄后的厚度对比；

图2是柔性超薄硅片弯曲性能图。

具体实施方式

本发明提出一种用于制备大面积柔性超薄单晶硅片的湿法化学腐蚀法。下面结合附图和实施例对本发明予以进一步说明。

实施例1

1.采用电阻率为1~5 W·cm的N（100）双面抛光单晶硅片，在丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗5分钟；每次超声完均用去离子水冲洗2分钟；之后在质量百分比浓度为5% 的氢氟酸中常温浸泡5分钟；用电阻率在18 W·cm以上的去离子水冲洗2分钟，真空干燥；

2.用固体氢氧化钾、异丙醇及电阻率在18 W·cm以上的去离子水，配制成为具有以下浓度特征的混合液（以下称减薄液）：氢氧化钾质量百分比浓度为45%，异丙醇质量百分比浓度为12%；磁力搅拌器上搅拌10~20分钟，促进氢氧化钾充分溶解并使溶液混合均匀；然后放入70~90℃的水浴中预热；

3.把预处理后的硅片用聚四氟乙烯夹具固定好，竖直浸入减薄液中，可观察到硅片表面迅速生成大量气泡，从硅片表面快速剥离并从液面逸出，此反应过程持续进行，硅片被逐渐均匀减薄；

4.控制反应时间与水浴温度获得所需厚度的超薄硅片。如图1所示，以取向（100）的N型双面抛光单晶硅片为例，在80℃水浴中反应5小时可获得厚度约25mm的超薄硅片；

5.减薄反应至预期的时间，取出硅片，迅速用去离子水反复冲洗2分钟，防止硅表面的残余减薄液继续反应，然后用纯氮快速吹干；

6. 去除夹具，肉眼可观察到减薄后硅表面光亮平整，无麻点与白斑，呈镜面效果。当硅片厚度小于25mm时，呈现出很强的柔性，有优异的弯曲性能；进一步增加减薄时间，可获得厚度更小的硅片，此方法制备的超薄硅片厚度在15mm以下即允许波长较长的红光透过。

7.抽真空干燥，在干燥器中保存。

本发明采用N（100）双面抛光单晶硅片，利用丙酮、无水乙醇、去离子水和氢氟酸预处理得到清洁的硅表面，避免了传统清洗方法的高温加热、工艺复杂、效率较低、且所需原料有毒的缺点。配制由氢氧化钾、异丙醇和去离子水均匀混合而成的减薄液，并放入70~90℃水浴中预热。将用夹具固定好的硅片浸入减薄液中，在强碱对硅表面各向异性腐蚀和异丙醇保护作用的共同作用下，硅材料被均匀去除。反应一段时间后，取出硅片，去离子水反复冲洗干净，可观察到硅表面光亮平整，呈镜面效果，无明显的减薄缺陷。

Claims (4)

1.一种用于制备大面积柔性超薄单晶硅片的湿法化学腐蚀法，其特征在于，采用强碱对硅表面各向异性腐蚀和异丙醇保护作用的共同作用特性，单步法实现硅片均匀减薄，具体步骤如下：

a.硅片预处理：依次利用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗，每步超声完都用去离子水冲洗，再用氢氟酸浸泡，去除硅片表面的氧化层；然后去离子水冲洗，得到清洁的硅表面；

b.减薄液配制：在聚四氟乙烯容器中配制一定浓度范围的“水/强碱/保护剂”混合溶液，放在磁力搅拌器上搅拌10-20分钟，使溶液充分混合，然后放入水浴中预热；

c.硅片的减薄：把预处理好的硅片用夹具固定好，然后连同夹具一起竖直浸没到减薄液中，可以观察到硅片两侧生成气泡；采用这种方法，只要反应容器足够大，硅片的尺寸不受限制；

d.厚度的控制：减薄液配比和水浴温度恒定的情况下，控制反应时间即可获得特定厚度的硅片：反应一定时间后，将硅片取出，用去离子水冲洗数次；

e.吹干保存：用氮气将硅片表面的水渍彻底吹干，干燥箱中干燥，然后放入干燥器中保存；

所述步骤b中的强碱为氢氧化钾，保护剂为异丙醇或正丁醇；且减薄液中氢氧化钾的质量百分比浓度为45%-50%，异丙醇或正丁醇的质量百分比浓度为12%-16%；

所述步骤c中硅片在浸没入减薄液之前必须用夹具固定好，且必须竖直放置到减薄液中。

2.根据权利要求1所述一种用于制备大面积柔性超薄单晶硅片的湿法化学腐蚀法，其特征在于，所述步骤a中氢氟酸质量百分比浓度为5%-10%。

3.根据权利要求1所述一种用于制备大面积柔性超薄单晶硅片的湿法化学腐蚀法，其特征在于，所述步骤b采用的水浴温度为70-90℃。

4.根据权利要求1所述一种用于制备大面积柔性超薄单晶硅片的湿法化学腐蚀法，其特征在于，所述硅片为N（100）取向单晶硅片，且必须为双面抛光，其电阻率在1-5W·cm。