CN108687652B - 一种半导体芯片制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体领域，具体的说是一种半导体芯片制造工艺，该工艺以高纯度复晶硅作为原材料，将原材料进行多次处理形成硅晶圆晶棒，再经过切片研磨和抛光等步骤制造出晶圆薄片，其中研磨用到的研磨设备包括底座、电机、一号支撑轴、支撑模块、晶圆、压紧模块和夹紧模块，当需要对晶圆进行研磨时，先将晶圆放到支撑模块中的研磨布上，压紧模块中衬垫将晶圆压紧，不让其发生移动，再通过支撑模块中的研磨布对晶圆进行精磨，在支撑模块、压紧模块和夹紧模块的相互配合作用下实现晶圆底部的精磨和晶圆顶部的粗磨，该工艺流程简单，通过七个步骤相互配合，制造出的晶圆薄片表面光滑，厚度均匀，提高硅晶圆以及半导体芯片的制造质量。

Description

一种半导体芯片制造工艺
技术领域
本发明属于半导体领域，具体的说是一种半导体芯片制造工艺。
背景技术
半导体或芯片中包含无数的晶圆片，晶圆片上刻蚀出数以百万计的晶体管，这些晶体管比人的头发要细小上百倍。半导体通过控制电流来管理数据，形成各种文字、数字、声音、图象和色彩。它们被广泛用于集成电路，并间接被地球上的每个人使用。这些应用有些是日常应用，如计算机、电信和电视，还有的应用于先进的微波传送、激光转换系统、医疗诊断和治疗设备、防御系统和NASA航天飞机。
传统的晶圆制造流程通常如下：1)在晶圆正面制造半导体器件；2)在已完成半导体器件加工工艺的晶圆正面贴上保护膜，以便防止在晶圆背面减薄工艺中晶圆正面的器件层遭到破坏；3)在晶圆正面上完成贴膜之后，使用机械方法(例如砂轮)对晶圆背面进行磨削，并在去除一定厚度之后换用细目砂轮进行精细研磨；4)对研磨后的晶圆背面进行去损伤和残余应力工艺(例如湿法腐蚀)，以便将带有晶层损伤的晶圆背面及其亚表层去除，同时达到释放残余应力的目的。其中，上述步骤2)-4)为晶圆背面减薄过程。通过上述的工艺流程，晶圆就制造完成，并就达到了最终需求的减薄厚度，在上述传统的晶圆制造流程中，由于在步骤3)中是利用机械方法来去除材料的，所以不可避免地会在晶圆的背表面和亚表面上产生损伤以及残余应力。如果这些损伤和残余应力在随后的步骤4)中未能合理去除，则将会降低晶圆的机械性能，增大晶圆碎裂的风险，而且这些损伤和残余应力还会通过衬底材料向晶圆正面传播，进而对晶圆上已形成的半导体器件造成性能以及可靠性方面的不良影响，引起性能退化、使用寿命内失效等问题，研究出一种高效的半导体芯片制造工艺是半导体生产厂家正在直面的一个新课题。
鉴于此，本发明所述的一种半导体芯片制造工艺，以高纯度复晶硅作为原材料，经过将原材料进行多次处理形成硅晶圆晶棒，再经过切片研磨和抛光等步骤制造出晶圆，使用的设备结构简单，操作方便，提高硅晶圆的制造效率和质量。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提出了一种半导体芯片制造工艺，本发明主要用于制作半导体生产用的硅晶圆，实现半导体芯片的制造。本发明通过对原材料高纯度复晶硅进行加热熔化处理，使其变成硅晶圆晶棒，再对硅晶圆晶棒进行切割使其变成晶圆，之后再对晶圆进行研磨抛光清洗等处理，制造出的晶圆表面光滑，厚度均匀，提高半导体芯片的制造质量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种半导体芯片制造工艺，该制造工艺包括如下步骤：
步骤一：原材料准备：将块状的高纯度复晶硅置于石英坩锅内，加热到其熔点1420摄氏度以上，使其完全熔化成硅熔浆；
步骤二：原材料成型：待步骤一中的硅熔浆的温度稳定后，将晶种插入到硅熔浆中，再将晶种往上提升，形成硅晶圆晶棒，使其直径缩小到预定尺寸，维持直径在预定尺寸波动范围内并拉长，不断调整提升速度和熔炼温度，直到硅晶圆晶棒长度达到预定值，以完成硅晶圆原材料的制作；
步骤三：外径研磨：将步骤二中制作成的硅晶圆晶棒去掉直径偏小的头、尾部分后放入FX-01精密微小外径研磨机中进行外径研磨；
步骤四：切片：将采用环状、其内径边缘镶嵌有钻石颗粒的薄片锯片将步骤三中外径研磨后的硅晶圆晶棒切割成晶圆；
步骤五：圆边：采用TYDY-1200圆弧抛光机对步骤四中的晶圆的边缘形状和外观尺寸进行修整，避免边角崩裂影响晶圆的强度、破坏晶圆的表面光洁和对后工序带来污染颗粒；
步骤六：研磨：将步骤五中圆边后的晶圆放入研磨设备中进行研磨，去掉切割时在晶片表面产生的锯痕和破损；
步骤七：抛光清洗：使用抛光机对步骤六中研磨后的晶圆进行抛光处理，进一步去掉附着在晶圆上的微粒以及获得极佳的表面平整度，抛光处理后再对晶圆进行彻底清洗和风干；
通过步骤一至步骤七可完成对半导体芯片的制造，通过对硅晶圆制造的原材料进行层层处理，制造出的晶圆规格精细，且表面平整；
所述步骤六中的研磨设备包括底座、电机、一号支撑轴、支撑模块、晶圆、压紧模块和夹紧模块，所述底座水平放置，底座顶部竖直连接一号支撑轴，底座底部安装电机，电机为整个研磨过程提供动力；所述支撑模块设置在一号支撑轴的上方，支撑模块用于支撑晶圆；所述压紧模块和夹紧模块均匀设置在支撑模块的上方，压紧模块用于将需要研磨的晶圆压紧，夹紧模块用于将需要研磨的晶圆夹紧，防止晶圆移动。当需要对晶圆进行研磨时，先将晶圆放到支撑模块上，在压紧模块和夹紧模块的相互配合作用下，由电机带动晶圆实现研磨。
所述支撑模块包括磨盘、支撑杆、支撑座、研磨布和压环，所述磨盘水平安装在一号支撑轴上，磨盘为无盖圆筒形，磨盘顶部内侧向下开设圆环形凹槽；所述支撑杆设置在磨盘的内部底层，支撑杆的顶部水平连接支撑座，支撑座为长方形箱体，支撑座侧壁开设过水孔，过水孔用于向支撑座内部通水；所述研磨布为圆形，研磨布通过压环被压紧在磨盘内侧顶部的圆环形凹槽中，研磨布的顶部放置晶圆，研磨布的底部与支撑座的顶部接触，研磨布用于对晶圆的底部进行研磨。工作时，将需要研磨的晶圆放在研磨布的上表面，支撑杆和支撑座将晶圆支撑着，开启电机，电机通过一号支撑轴带动磨盘转动，磨盘带动研磨布转动，研磨布对晶圆的底部进行精磨。
所述压紧模块包括限位板、驱动装置、气缸和衬垫，所述限位板水平设置在研磨布上方，限位板为圆盘型，限位板底部设置圆环形凸台，限位板上围绕中心均匀开设一号通孔，一号通孔设置三个，限位板的顶部中心设置驱动装置，驱动装置用于带动压紧模块转动；所述气缸安装在限位板的底部中心，气缸的活塞杆底部向下水平连接衬垫，衬垫为圆盘形，衬垫的底部与晶圆接触，衬垫上均匀开设二号通孔。工作时，开启驱动装置，使驱动装置带动限位板和气缸转动，气缸的活塞杆带动衬垫转动，同时气缸的活塞杆向下压着衬垫，使衬垫带动底部的晶圆发生转动，晶圆相对研磨布转动，晶圆的底部与研磨布的顶部接触摩擦以完成晶圆底部的精磨。
所述夹紧模块包括滑块、滑动柱、一号弹簧和钢珠，所述滑块竖直位于一号通孔内，滑块的底部竖直连接滑动柱，在限位板的上方安装有三爪卡盘，三爪卡盘的夹紧块与滑块相连接，三爪卡盘转动带动滑块沿径向运动，滑块带动滑动柱径向运动，实现对不同直径的晶圆的定位，滑动柱底部开设一号凹槽；所述一号弹簧竖直连接在一号凹槽的底部，一号弹簧的底部连接钢珠，钢珠与研磨布接触。通过设置设置钢珠可减少滑动柱底部与研磨布的接触，从而减少滑动柱的磨损，延长装置的使用寿命。
所述支撑座的顶部开设纳米级滤孔，纳米级滤孔用于向晶圆和研磨布之间通水。对晶圆进行研磨时，通过支撑座侧壁的过水孔向支撑座内部通水，水会通过支撑座顶部的纳米级滤孔与研磨布和晶圆接触，由于被研磨后的晶圆表面变得十分光滑，容易与研磨布之间形成真空吸附，水可让晶圆悬浮起来，便于晶圆的取放和收集，同时，水可以将研磨下来的晶圆的杂质带走，防止杂质对后续的研磨造成影响，改善晶圆研磨效果。
所述衬垫内部均匀竖直设置拨板，拨板为弯曲且倒置的凸字形状，拨板两侧顶部的下方对称设置电磁铁，电磁铁通过二号弹簧与拨板的顶部连接。工作时，当研磨布对晶圆底部进行精磨时，开启电磁铁，电磁铁通过二号弹簧使拨板向下运动，拨板在转动的过程中使水中的研磨颗粒对晶圆上表面进行半精磨，提高研磨速率。
本发明的有益效果是：
1.本发明所述的一种半导体芯片制造工艺，本发明包括步骤一至步骤七，步骤一至步骤三用于对制作硅晶圆的原材料进行处理，步骤四和步骤五用于将晶圆制成晶圆，步骤六和步骤七主要用于对切成的晶圆进行处理，本发明通过七个步骤对复晶硅原材料进行熔化处理得到表面光滑的晶圆，工艺流程简单，生产出的晶圆表面干净平整光滑，提高半导体芯片的生产效率和质量。
2.本发明所述的一种半导体芯片制造工艺，本发明中的研磨设备通过设置支撑座顶部的纳米级滤孔，由于被研磨后的晶圆表面变得十分光滑，容易与研磨布之间形成真空吸附，水可让晶圆悬浮起来，便于晶圆的取放和收集，同时，水可以将研磨下来的杂质带走，防止杂质对后续的研磨造成影响，提高半导体芯片的研磨效率。
3.本发明所述的一种半导体芯片制造工艺，本发明中的研磨设备通过设置电磁铁和二号弹簧，电磁铁通过二号弹簧使拨板向下运动，拨板在转动的过程中带动水中的研磨颗粒对晶圆上表面进行半精磨，晶圆上表面的半精磨和下表面的精磨同时进行，加快研磨进程。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的工艺流程图；
图2是研磨设备的结构示意图；
图3是研磨设备中衬垫的俯视图；
图4是图3的A-A剖视图；
图中：底座1、电机2、一号支撑轴3、支撑模块4、晶圆5、压紧模块6、夹紧模块7、磨盘41、支撑杆42、支撑座43、过水孔431、纳米级滤孔432、研磨布44、压环45、限位板61、驱动装置62、气缸63、衬垫64、二号通孔644、拨板641、电磁铁642、二号弹簧643、滑块71、滑动柱72、一号弹簧73、钢珠74。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1至图4所示，本发明所述的一种半导体芯片制造工艺，该制造工艺包括如下步骤：
步骤一：原材料准备：将块状的高纯度复晶硅置于石英坩锅内，加热到其熔点1420摄氏度以上，使其完全熔化成硅熔浆；
步骤二：原材料成型：待步骤一中的硅熔浆的温度稳定后，将晶种插入到硅熔浆中，再将晶种往上提升，形成硅晶圆晶棒，使其直径缩小到预定尺寸，维持直径在预定尺寸波动范围内并拉长，不断调整提升速度和熔炼温度，直到硅晶圆晶棒长度达到预定值，以完成硅晶圆原材料的制作；
步骤三：外径研磨：将步骤二中制作成的硅晶圆晶棒去掉直径偏小的头、尾部分后放入FX-01精密微小外径研磨机中进行外径研磨；
步骤四：切片：将采用环状、其内径边缘镶嵌有钻石颗粒的薄片锯片将步骤三中外径研磨后的硅晶圆晶棒切割成晶圆5；
步骤五：圆边：采用TYDY-1200圆弧抛光机对步骤四中的晶圆5的边缘形状和外观尺寸进行修整，避免边角崩裂影响晶圆5的强度、破坏晶圆5的表面光洁和对后工序带来污染颗粒；
步骤六：研磨：将步骤五中圆边后的晶圆5放入研磨设备中进行研磨，去掉切割时在晶片表面产生的锯痕和破损；
步骤七：抛光清洗：使用抛光机对步骤六中研磨后的晶圆5进行抛光处理，进一步去掉附着在晶圆5上的微粒以及获得极佳的表面平整度，抛光处理后再对晶圆5进行彻底清洗和风干；
通过步骤一至步骤七可完成对半导体芯片的制造，通过对硅晶圆制造的原材料进行层层处理，制造出的晶圆5规格精细，且表面平整；
所述步骤六中的研磨设备包括底座1、电机2、一号支撑轴3、支撑模块4、晶圆5、压紧模块6和夹紧模块7，所述底座1水平放置，底座1顶部竖直连接一号支撑轴3，底座1底部安装电机2，电机2为整个研磨过程提供动力；所述支撑模块4设置在一号支撑轴3的上方，支撑模块4用于支撑晶圆5；所述压紧模块6和夹紧模块7均匀设置在支撑模块4的上方，压紧模块6用于将需要研磨的晶圆5压紧，夹紧模块7用于将需要研磨的晶圆5夹紧，防止晶圆5移动。当需要对晶圆5进行研磨时，先将晶圆5放到支撑模块4上，在压紧模块6和夹紧模块7的相互配合作用下，由电机2带动晶圆5实现研磨。
所述支撑模块4包括磨盘41、支撑杆42、支撑座43、研磨布44和压环45，所述磨盘41水平安装在一号支撑轴3上，磨盘41为无盖圆筒形，磨盘41顶部内侧向下开设圆环形凹槽；所述支撑杆42设置在磨盘41的内部底层，支撑杆42的顶部水平连接支撑座43，支撑座43为长方形箱体，支撑座43侧壁开设过水孔431，过水孔431用于向支撑座43内部通水；所述研磨布44为圆形，研磨布44通过压环45被压紧在磨盘41内侧顶部的圆环形凹槽中，研磨布44的顶部放置晶圆5，研磨布44的底部与支撑座43的顶部接触，研磨布44用于对晶圆5的底部进行研磨。工作时，将需要研磨的晶圆5放在研磨布44的上表面，支撑杆42和支撑座43将晶圆5支撑着，开启电机2，电机2通过一号支撑轴3带动磨盘41转动，磨盘41带动研磨布44转动，研磨布44对晶圆5的底部进行精磨。
所述压紧模块6包括限位板61、驱动装置62、气缸63和衬垫64，所述限位板61水平设置在研磨布44上方，限位板61为圆盘型，限位板61底部设置圆环形凸台，限位板61上围绕中心均匀开设一号通孔，一号通孔设置三个，限位板61的顶部中心设置驱动装置62，驱动装置62用于带动压紧模块6转动；所述气缸63安装在限位板61的底部中心，气缸63的活塞杆底部向下水平连接衬垫64，衬垫64为圆盘形，衬垫64的底部与晶圆5接触，衬垫64上均匀开设二号通孔644。工作时，开启驱动装置62，使驱动装置62带动限位板61和气缸63转动，气缸63的活塞杆带动衬垫64转动，同时气缸63的活塞杆向下压着衬垫64，使衬垫64带动底部的晶圆5发生转动，晶圆5相对研磨布44转动，晶圆5的底部与研磨布44的顶部接触摩擦以完成晶圆5底部的精磨。
所述夹紧模块7包括滑块71、滑动柱72、一号弹簧73和钢珠74，所述滑块71竖直位于一号通孔内，滑块71的底部竖直连接滑动柱72，在限位板61的上方安装有三爪卡盘，三爪卡盘的夹紧块与滑块71相连接，三爪卡盘转动带动滑块71沿径向运动，滑块71带动滑动柱72径向运动，实现对不同直径的晶圆5的定位，滑动柱72底部开设一号凹槽；所述一号弹簧73竖直连接在一号凹槽的底部，一号弹簧73的底部连接钢珠74，钢珠74与研磨布44接触。通过设置设置钢珠74可减少滑动柱72底部与研磨布44的接触，从而减少滑动柱72的磨损，延长装置的使用寿命。
所述支撑座43的顶部开设纳米级滤孔432，纳米级滤孔432用于向晶圆5和研磨布44之间通水。对晶圆5进行研磨时，通过支撑座43侧壁的过水孔431向支撑座43内部通水，水会通过支撑座43顶部的纳米级滤孔432与研磨布44和晶圆5接触，由于被研磨后的晶圆5表面变得十分光滑，容易与研磨布44之间形成真空吸附，水可让晶圆5悬浮起来，便于晶圆5的取放和收集，同时，水可以将研磨下来的晶圆5的杂质带走，防止杂质对后续的研磨造成影响，改善晶圆5研磨效果。
所述衬垫64内部均匀竖直设置拨板641，拨板641为弯曲且倒置的凸字形状，拨板641两侧顶部的下方对称设置电磁铁642，电磁铁642通过二号弹簧643与拨板641的顶部连接。工作时，当研磨布44对晶圆5底部进行精磨时，开启电磁铁642，电磁铁642通过二号弹簧643使拨板641向下运动，拨板641在转动的过程中使水中的研磨颗粒对晶圆5上表面进行半精磨，提高研磨速率。
使用时，将需要研磨的晶圆5放在研磨布44的上表面，使压紧模块6的衬垫64将晶圆5压紧，开启电机2，电机2通过一号支撑轴3带动磨盘41转动，磨盘41带动研磨布44转动。
开启驱动装置62，使驱动装置62带动限位板61和气缸63转动，气缸63的活塞杆带动衬垫64转动，同时气缸63的活塞杆向下压着衬垫64从而压着晶圆5，同时衬垫64压着晶圆5使晶圆5相对研磨布44发生转动，晶圆5的底部与研磨布44的顶部接触摩擦以完成晶圆5底部的精磨产生研磨颗粒。
通过支撑座43侧壁的过水孔431向支撑座43内部通水，水会通过支撑座43顶部的纳米级滤孔432与研磨布44和晶圆5接触，由于被研磨后的晶圆5表面变得十分光滑，容易与研磨布44之间形成真空吸附，水可让晶圆5悬浮起来，便于晶圆5的取放和收集，同时，水可以将研磨下来的杂质带走，防止杂质对后续的研磨造成影响，提高晶圆5的研磨效率。
开启控制控制开关使电磁铁642带电，电磁铁642吸引二号弹簧643使拨板641向下运动，拨板641在转动的过程中搅动晶圆5和研磨布44之间的水，水中的研磨颗粒对晶圆5的上表面进行半精磨，晶圆5的底部的精磨和晶圆5的上表面的半精磨同时进行，加快研磨进程。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种半导体芯片制造工艺，其特征在于：
该制造工艺包括如下步骤：
步骤一：原材料准备：将硅晶圆制造的原材料熔化成硅熔浆；
步骤二：原材料成型：待步骤一中的硅熔浆的温度稳定后，将晶种插入到硅熔浆中，再将晶种往上提升，形成硅晶圆晶棒；
步骤三：外径研磨：将步骤二中制作成的硅晶圆晶棒放入外径研磨机中进行外径研磨；
步骤四：切片：将步骤三中进行外径研磨后的硅晶圆晶棒切割成晶圆(5)；
步骤五：圆边：采用圆边机对步骤四中的晶圆(5)的边缘形状和外观尺寸进行修整；
步骤六：研磨：将步骤五中圆边后的晶圆(5)放入研磨设备中进行研磨；
步骤七：抛光清洗：使用抛光机对步骤六中研磨后的晶圆(5)进行抛光处理，抛光处理后再对晶圆(5)进行彻底清洗和风干；
通过步骤一至步骤七可完成对半导体硅晶圆的制造，通过对硅晶圆制造的原材料进行层层处理，制造出的晶圆(5)规格精细，且表面平整；
所述步骤六中的研磨设备包括底座(1)、电机(2)、一号支撑轴(3)、支撑模块(4)、晶圆(5)、压紧模块(6)和夹紧模块(7)，所述底座(1)水平放置，底座(1)顶部竖直连接一号支撑轴(3)，底座(1)底部安装电机(2)，电机(2)为整个研磨过程提供动力；所述支撑模块(4)设置在一号支撑轴(3)的上方，支撑模块(4)用于支撑晶圆(5)；所述压紧模块(6)和夹紧模块(7)均匀设置在支撑模块(4)的上方，压紧模块(6)用于将需要研磨的晶圆(5)压紧，夹紧模块(7)用于将需要研磨的晶圆(5)夹紧，防止晶圆(5)移动；
所述支撑模块(4)包括磨盘(41)、支撑杆(42)、支撑座(43)、研磨布(44)和压环(45)，所述磨盘(41)水平安装在一号支撑轴(3)上，磨盘(41)为无盖圆筒形，磨盘(41)顶部内侧向下开设圆环形凹槽；所述支撑杆(42)设置在磨盘(41)的内部底层，支撑杆(42)的顶部水平连接支撑座(43)，支撑座(43)为长方形箱体，支撑座(43)侧壁开设过水孔(431)，过水孔(431)用于向支撑座(43)内部通水；所述研磨布(44)为圆形，研磨布(44)通过压环(45)被压紧在磨盘(41)内侧顶部的圆环形凹槽中，研磨布(44)的顶部放置晶圆(5)，研磨布(44)的底部与支撑座(43)的顶部接触，研磨布(44)用于对晶圆(5)的底部进行精磨；
所述压紧模块(6)包括限位板(61)、驱动装置(62)、气缸(63)和衬垫(64)，所述限位板(61)水平设置在研磨布(44)上方，限位板(61)为圆盘型，限位板(61)底部设置圆环形凸台，限位板(61)上围绕中心均匀开设一号通孔，一号通孔设置三个，限位板(61)的顶部中心设置驱动装置(62)；所述气缸(63)安装在限位板(61)的底部中心，气缸(63)的活塞杆底部向下水平连接衬垫(64)，衬垫(64)为圆盘形，衬垫(64)的底部与晶圆(5)接触，衬垫(64)上均匀开设二号通孔(644)；
所述夹紧模块(7)包括滑块(71)、滑动柱(72)、一号弹簧(73)和钢珠(74)，所述滑块(71)竖直位于一号通孔内，滑块(71)的底部竖直连接滑动柱(72)，在限位板(61)的上方安装有三爪卡盘，三爪卡盘的夹紧块与滑块(71)相连接，三爪卡盘转动带动滑块(71)沿径向运动，滑块(71)带动滑动柱(72)径向运动，实现对不同直径的晶圆(5)的定位，滑动柱(72)底部开设一号凹槽；所述一号弹簧(73)竖直连接在一号凹槽的底部，一号弹簧(73)的底部连接钢珠(74)，钢珠(74)与研磨布(44)接触。
2.根据权利要求1所述的一种半导体芯片制造工艺，其特征在于：所述支撑座(43)的顶部开设纳米级滤孔(432)，纳米级滤孔(432)用于向晶圆(5)和研磨布(44)之间通水。
3.根据权利要求1所述的一种半导体芯片制造工艺，其特征在于：所述衬垫(64)内部均匀竖直设置拨板(641)，拨板(641)为弯曲且倒置的凸字形状，拨板(641)两侧顶部的下方对称设置电磁铁(642)，电磁铁(642)通过二号弹簧(643)与拨板(641)的顶部连接。
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