CN113192823B - 一种soi键合工艺后衬底片的再生加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成电路单晶硅抛光片回收加工技术领域，具体涉及一种SOI键合工艺后衬底片的再生加工方法。该方法包括以下步骤：将回收的SOI衬底片进行脱模和清洗‑对衬底片进行正面抛光‑对衬底片进行第一次清洗‑对衬底硅片进行平整度均匀性、厚度测试‑对衬底片进行第二次清洗。本发明的再生加工方法实现了对SOI键合工艺后衬底片的回收，使衬底片重新达到具有表面高质量水平的衬底硅片，可以在SOI键合工艺中循环多次使用，实现加工成本远远低于购买新衬底硅片的价格。

Description

一种SOI键合工艺后衬底片的再生加工方法
技术领域
本发明属于集成电路单晶硅抛光片回收加工技术领域，具体涉及一种SOI键合工艺后衬底片的再生加工方法。
背景技术
单晶硅抛光片是一种广泛使用的半导体材料，它可以被用来作为制造SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上硅)材料的衬底，SOI是一种功能性集成电路衬底材料，它是在一绝缘衬底上生长一层单晶硅薄膜，或者是单晶硅薄膜被一层绝缘层从硅衬底中分开的材料，是制造MOS晶体管理想的材料。随着超大规模集成电路的发展，为降低芯片制造成本，国内主要采用直径200mm单晶硅抛光片作为衬底进行SOI加工，为保证SOI加工的良率，要求衬底硅片有良好的平整度均匀性和超低表面缺陷密度。
SOI片生产中有一个重要工序为键合，将衬底硅片加热到1000℃以上，在表面形成氧化膜绝缘膜，然后将其和另外一片衬底硅片相对放置在一起，两个硅片依靠表面的羟基团相互吸引键合，而后使用剥离技术将两片分开，分离后得到一片表面带有硅薄膜的SOI片，继续往后加工形成电子器件；分离后的另一片称为衬底片，不再继续进行加工。由于衬底片正面相对于原始硅衬底片是相当粗糙的，表面也会有一些损伤，而且整个背面和正面边缘2mm在键合前还生长有氧化膜，不能直接用于再次键合。受到技术的限制，衬底片在国内一直无法进行有效的回收，或者回收后的衬底片无法满足再次使用的要求，因此目前国内的键合的成本至少是衬底硅片的两倍。如果能将衬底硅片回收实现超低微粗糙度的表面以重新利用，将会大大降低SOI片加工成本，这也成为本领域一直亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种SOI键合工艺后衬底片的再生加工方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种SOI键合工艺后衬底片的再生加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将回收的SOI衬底片进行脱模和清洗；
2)对衬底片进行正面抛光；
3)对衬底片进行第一次清洗；
4)对衬底片进行平整度均匀性、厚度测试；当SFQR＜0.4时进行下一步，不满足要求的衬底片返回步骤2)再次进行正面抛光；
5)对衬底片进行第二次清洗。
所述步骤2)正面抛光分为第一抛光、第二抛光、第三抛光、第四抛光四步，正面抛光综合去除量为15-18微米。
所述第一抛光采用粗抛布和粗抛液，抛光压头压力为300-350g/cm2，抛光布转速25-40r/min；
所述第二抛光采用中抛布和粗抛液，抛光压头压力为280-300g/cm2，抛光布转速25-40r/min；
所述第三抛光采用中抛布和精抛液，抛光压头压力为160-180g/cm2，抛光布转速20-35r/min；
所述第四抛光采用精抛布和精抛液，抛光压头压力为110-130g/cm2，抛光布转速20-35r/min。
所述粗抛液为粗抛液磨剂与纯水的混合液，粗抛液磨剂与水的体积比为1：20，pH值范围在10-11.5；
所述精抛液为精抛液磨剂与纯水的混合液，精抛液磨剂与水的体积比为1：40，pH值范围在9-11；
所述粗抛布硬度为76-90(Askerc测定)，所述中抛布硬度为55-80(Askerc测定)，精抛布硬度为53-63(Askerc测定)。
所述步骤1)中脱模时采用氢氟酸和纯水的混合液对衬底片浸泡5-10min，氢氟酸和纯水的体积比为1∶(20-30)；
步骤1)中清洗时采用氨水、双氧水和纯水混合液清洗5-10min，温度50-80℃，氨水、双氧水和纯水的体积比为1∶(1-2)∶(20-30)。
所述步骤3)第一次清洗时，先使用氨水、双氧水和纯水混合溶液清洗5-10min，温度为50-80℃，氨水、双氧水和纯水的体积比为1∶(1-2)∶(20-30)，然后纯水清洗；继续用盐酸、双氧水和纯水混合溶液清洗5-10min，温度为30-45℃，盐酸、双氧水和纯水的体积比为(1-2)∶(1-2)∶(50-60)，最后纯水清洗。
步骤5)第二次清洗时，清洗步骤与第一次清洗相同。
进行步骤2)正面抛光之前先对衬底片进行边缘抛光，边缘抛光使用硬度为60-80(Askerc测定)的抛光布，抛光倾斜角度为50度，边缘抛光压力为80-120N，抛光布转速为500-900r/min，抛光时间为50-90s。
正面抛光具体操作时将硅衬底片背面使用蜡层固定在陶瓷载体板上面，硅片正面朝下和大盘上面粘贴的抛光布接触，抛光过程中对载体板施加压力，载体板和大盘相向旋转运动，硅片与抛光布之间发生摩擦，抛光液通入硅片和抛光布之间，在机械摩擦和化学腐蚀的双重作用下，实现损伤层的去除，最终达到完美镜面。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
1、本发明的再生加工方法实现了对SOI键合工艺后衬底片的回收，使衬底片重新达到具有表面高质量水平的衬底硅片，可以在SOI键合工艺中循环多次使用，直到厚度减薄不满足要求，在SOI制备中采用回收再生的衬底片，使得加工成本远远低于购买新衬底硅片的价格，相对于使用新的衬底片显著降低了键合加工的成本。
2、本发明在进行再生加工时，正面抛光时非常重要的一个步骤，采用的是化学机械抛光法，依靠化学腐蚀和机械去除的双重作用对硅片进行抛光，抛光液是一种碱性溶液，它在衬底片和抛光布之间流动，将衬底片表面的一层物质去除；抛光压头对衬底片表面施加压力，衬底片和抛光垫之间发生旋转，在相对运动中，靠机械摩擦的力量磨去除衬底片表面疏松层，使新的表层露出来，抛光液再对新的表层进行腐蚀，两者交替反复，直到表面损伤层被充分去除，完成抛光过程。
3、本发明在进行正面抛光时，化学腐蚀和机械去除的速率需要相互配合，其中控制化学腐蚀速率时，需要严格控制粗抛液的浓度，机械去除时也需要严格控制抛光压头压力，实现损伤层的去除，最终得到完美的镜面，得到超低微粗糙度的衬底硅片，提高了再生硅衬底在SIO键合加工中的成品率。这是因为在抛光过程中化学腐蚀的优点是精度高，损伤小，但去除效率低；机械去除的优点是去除效率高，一致性好，当化学腐蚀速率和机械去除速率不匹配时，就很容易在硅片表面形成亚微米级凹坑，体现在硅片表面进行激光扫描测试的LLS缺陷数值高。相比之下，在现有的技术中，再生加工后的硅衬底表面尺寸在0.10亚微米级的凹坑数量在较高水平，这就往往引起SOI键合形成缺陷，造成硅片局部得不到完美的单晶硅薄膜，满足不了SOI制备的要求。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
以下实施例及对照例中采用直径200mm的SOI键合工艺后回收衬底片(衬底片)，其背面和正面边缘带有氧化膜，型号为P型，厚度为715±5um，轮廓倒角角度为22°，参考面类型为V形槽。
实施例1：
1)将衬底片放入四氟片盒中，在腐蚀机中使用HF溶液对衬底片进行5分钟浸泡脱膜处理，HF溶液中氢氟酸和纯水体积比1∶20；然后采用氨水、双氧水和纯水混合液清洗5min，温度50℃，氨水、双氧水和纯水的体积比为1∶2∶20。
2)在光强为16万LX的强光灯下进行人工外观目检，确认氧化膜被完全剥离，挑出可能在后面加工中导致碎片的崩边片。
3)对衬底片进行边缘抛光，边抛过程中衬底片固定在真空吸盘上，使用硬度为60的抛光布对衬底片进行抛光，抛光倾斜角度为50度，边缘抛光压力为80N，抛光布转速为900r/min，抛光时间为90s，使倒角粗糙轮廓达到光滑程度。
4)将衬底片背面使用蜡层固定在陶瓷载体板上面，衬底片正面朝下和大盘上面粘贴的抛光布接触，抛光过程中对载体板施加压力，载体板和大盘相向旋转运动，衬底片与抛光布之间发生摩擦，抛光液通入衬底片和抛光布之间，在机械摩擦和化学腐蚀的双重作用下，实现损伤层的去除，最终达到完美镜面；正面抛光包括第一抛光、第二抛光、第三抛光和第四抛光。抛光过程中通过压头对衬底片施以压力，衬底片与抛光布之间进行摩擦，四步抛光的综合去除量在15微米。完成抛光的衬底片同过卸片台将衬底片从载体板蜡层上翘下来，衬底片通过流水滑板进入四氟片盒槽中。
所述第一抛光采用粗抛布和粗抛液，抛光压头压力为300g/cm2；
所述第二抛光采用中抛布和粗抛液，抛光压头压力为300g/cm2；
所述第三抛光采用中抛布和精抛液，抛光压头压力为160g/cm2；
所述第四抛光采用精抛布和精抛液，抛光压头压力为130g/cm2。
所述粗抛液为粗抛液磨剂与水的混合液，粗抛液磨剂与水的体积比为1：20，pH值范围在10-11.5；
所述精抛液为精抛液磨剂与水的混合液，精抛液磨剂与水的体积比为1：40，pH值范围在9-11；
所述粗抛布硬度为76，所述中抛布硬度为55，精抛布硬度为53，均为Askerc测定。
5)将抛光后衬底片进入四氟片盒中，在全自动清洗机中进行第一次清洗，先使用氨水、双氧水和纯水混合溶液清洗5分钟，其中氨水、双氧水和纯水按1∶2∶20的体积比混合而成，清洗温度为50℃，之后在纯水槽中进行漂洗，去除衬底片表面残留的化学液；然后使用盐酸、双氧水和纯水混合溶液清洗5分钟，其中盐酸、双氧水和纯水按1∶2∶50的体积比混合而成，清洗温度为30℃，最后在纯水槽中进行漂洗，去除衬底片表面残留的化学液和金属离子。
6)对第一清洗后的衬底片在ADE9600平整度测试仪上进行厚度和平整度/局部平整度的测量，当SFQR＜0.4时进行下一步，不满足要求的衬底片返回步骤4)再次进行正面抛光。
7)对厚度和平整度/局部平整度测量后的合格品进行第二次清洗，清洗同步骤5)。
8)对第二清洗后的衬底片进行KLASP1颗粒检测设备的测量，总缺陷数值(LLS)按照>0.10微米<50个/片进行控制。合格品使用洁净的聚丙烯包装片盒进行包装，片盒外面使用PE袋和铝箔袋双层微真空包装。
实施例2
1)将衬底片放入四氟片盒中，在腐蚀机中使用HF溶液对衬底片进行10分钟浸泡脱膜处理，HF溶液中氢氟酸和纯水体积比1∶30；然后采用氨水、双氧水和纯水混合液清洗10min，温度80℃，氨水、双氧水和纯水的体积比为1∶1∶30。
2)在光强为16万LX的强光灯下进行人工外观目检，确认氧化膜被完全剥离，挑出可能在后面加工中导致碎片的崩边片。
3)对衬底片进行边缘抛光，边抛过程中衬底片固定在真空吸盘上，使用硬度为80的抛光布对衬底片进行抛光，抛光倾斜角度为50度，边缘抛光压力为120N，抛光布转速为500r/min，抛光时间为50s，使倒角粗糙轮廓达到光滑程度。
4)将衬底片背面使用蜡层固定在陶瓷载体板上面，衬底片正面朝下和大盘上面粘贴的抛光布接触，抛光过程中对载体板施加压力，载体板和大盘相向旋转运动，衬底片与抛光布之间发生摩擦，抛光液通入衬底片和抛光布之间，在机械摩擦和化学腐蚀的双重作用下，实现损伤层的去除，最终达到完美镜面；正面抛光包括第一抛光、第二抛光、第三抛光和第四抛光。抛光过程中通过压头对衬底片施以压力，衬底片与抛光布之间进行摩擦，四步抛光的综合去除量在18微米。完成抛光的衬底片同过卸片台将衬底片从载体板蜡层上翘下来，衬底片通过流水滑板进入四氟片盒槽中。
所述第一抛光采用粗抛布和粗抛液，抛光压头压力为350g/cm2；
所述第二抛光采用中抛布和粗抛液，抛光压头压力为280g/cm2；
所述第三抛光采用中抛布和精抛液，抛光压头压力为180g/cm2；
所述第四抛光采用精抛布和精抛液，抛光压头压力为110g/cm2。
所述粗抛液为粗抛液磨剂与水的混合液，粗抛液磨剂与水的体积比为1：20，pH值范围在10-11.5；
所述精抛液为精抛液磨剂与水的混合液，精抛液磨剂与水的体积比为1：40，pH值范围在9-11；
所述粗抛布硬度为90，所述中抛布硬度为80，精抛布硬度为63，均为Askerc测定。
5)将抛光后衬底片进入四氟片盒中，在全自动清洗机中进行第一次清洗，先使用氨水、双氧水和纯水混合溶液清洗10分钟，其中氨水、双氧水和纯水按1∶1∶30的体积比混合而成，清洗温度为80℃，之后在纯水槽中进行漂洗，去除衬底片表面残留的化学液；然后使用盐酸、双氧水和纯水混合溶液清洗10分钟，其中盐酸、双氧水和纯水按2∶1∶60的体积比混合而成，清洗温度为45℃，最后在纯水槽中进行漂洗，去除衬底片表面残留的化学液和金属离子。
6)对第一清洗后的衬底片在ADE9600平整度测试仪上进行厚度和平整度/局部平整度的测量，当SFQR＜0.4时进行下一步，不满足要求的衬底片返回步骤4)再次进行正面抛光。
7)对厚度和平整度/局部平整度测量后的合格品进行第二次清洗，清洗同步骤5)。
8)对第二清洗后的衬底片进行KLASP1颗粒检测设备的测量，总缺陷数值(LLS)按照>0.10微米<50个/片进行控制。合格品使用洁净的聚丙烯包装片盒进行包装，片盒外面使用PE袋和铝箔袋双层微真空包装。
对照例1
与实施例1不同的是：
所述第三抛光采用粗抛液。
对照例2
与实施例1不同的是：
所述粗抛液为粗抛液磨剂与水的混合液，粗抛液磨剂与水的体积比为1：30；
所述精抛液为精抛液磨剂与水的混合液，精抛液磨剂与水的体积比为1：50；
对照例3
与实施例2不同的是：
所述第一抛光时抛光压头压力为350g/cm2，抛光布转速50r/min；
所述第二抛光时抛光压头压力为350g/cm2，抛光布转速50r/min；
所述第三抛光时抛光压头压力为200g/cm2，抛光布转速40r/min；
所述第四抛光时抛光压头压力为200g/cm2，抛光布转速40r/min。
对照例4
与实施例2不同的是：
所述第一抛光时抛光压头压力为200g/cm2，抛光布转速20r/min；
所述第二抛光时抛光压头压力为200g/cm2，抛光布转速20r/min；
所述第三抛光时抛光压头压力为100g/cm2，抛光布转速15r/min；
所述第四抛光时抛光压头压力为100g/cm2，抛光布转速15r/min。
对以上两个实施例以及四个对照例得到的衬底片的性能进行检测，SFQR采用GB/T6621-2009检测，LLS采用KLA公司的SP1颗粒检测设备检测，检测结果如下：(数据为一组实验片的均值)
Figure BDA0003042221740000101
由以上实验可以看出，过高或过低的化学去除速率、机械去除速率都会导致抛光不均匀，影响平整度，整个抛光过程是一个复杂的化学、机械过程，化学去除速率和机械去除速率也并非是独立影响质量，而是相互影响的综合过程，只有通过工艺参数的相互配合才能实现衬底片再生加工的成功。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种SOI键合工艺后衬底片的再生加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1 ） 将回收的SOI衬底片进行脱膜和清洗；
2 ） 对衬底片进行正面抛光；正面抛光分为第一抛光、第二抛光、第三抛光、第四抛光四步，正面抛光综合去除量为15-18微米；所述第一抛光采用粗抛布和粗抛液，抛光压头压力为300-350g/cm²，抛光布转速25-40r/min；所述第二抛光采用中抛布和粗抛液，抛光压头压力为280-300g/cm²，抛光布转速25-40r/min；所述第三抛光采用中抛布和精抛液，抛光压头压力为160-180g/cm²，抛光布转速20-35r/min；所述第四抛光采用精抛布和精抛液，抛光压头压力为110-130g/cm²，抛光布转速20-35r/min；
3 ） 对衬底片进行第一次清洗；
4 ） 对衬底片进行平整度均匀性、厚度测试；
5 ） 对衬底片进行第二次清洗。
2.根据权利要求1所述的再生加工方法，其特征在于：
所述粗抛液为粗抛液磨剂与纯水的混合液，粗抛液磨剂与水的体积比为1：20，pH值范围在10-11.5；
所述精抛液为精抛液磨剂与纯水的混合液，精抛液磨剂与水的体积比为1：40，pH值范围在9-11；
所述粗抛布硬度为76-90，所述中抛布硬度为55-80，精抛布硬度为53-63。
3.根据权利要求1所述的再生加工方法，其特征在于：
步骤1）中脱膜时采用氢氟酸和纯水的混合液对衬底片浸泡5-10min，氢氟酸和纯水的体积比为1∶(20-30)；
步骤1）中清洗时采用氨水、双氧水和纯水混合液清洗5-10min，温度50-80℃，氨水、双氧水和纯水的体积比为1∶(1-2)∶(20-30)。
4.根据权利要求1所述的再生加工方法，其特征在于：
所述步骤3）第一次清洗时，先使用氨水、双氧水和纯水混合溶液清洗5-10min，温度为50-80℃，氨水、双氧水和纯水的体积比为1∶(1-2)∶(20-30)，然后纯水清洗；继续用盐酸、双氧水和纯水混合溶液清洗5-10min，温度为30-45℃，盐酸、双氧水和纯水的体积比为(1-2)∶(1-2)∶(50-60)，最后纯水清洗。
5.根据权利要求1所述的再生加工方法，其特征在于：
步骤5）第二次清洗时，清洗步骤与第一次清洗相同。
6.根据权利要求1所述的再生加工方法，其特征在于：
进行步骤2）正面抛光之前先对衬底片进行边缘抛光，边缘抛光使用硬度为60-80的抛光布，抛光倾斜角度为50度，边缘抛光压力为80-120N，抛光布转速为500-900r/min，抛光时间为50-90s。
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