一種用于制備大面積柔性超薄單晶硅片的濕法化學腐蝕法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體技術(shù)領域，特別涉及在便攜、超薄、快速散熱半導體器件制備中使用的一種超薄單晶硅片的制備方法。具體涉及一種用于制備大面積柔性超薄單晶硅片的濕法化學腐蝕法。
【背景技術(shù)】
[0002]硅片減薄技術(shù)能夠達到較高的生產(chǎn)效率和簡便的厚度控制，最早應用于內(nèi)圓切片引起的硅片切割缺陷處理。隨著集成電路封裝工藝的飛速發(fā)展，電子終端設備的微型化、便攜化和智能化對芯片封裝結(jié)構(gòu)的改進與散熱效率的提高提出更高的要求，超薄芯片(<50mm)已成為微型智能器件堆疊/3D封裝的主要構(gòu)件。現(xiàn)如今，在世界范圍內(nèi)硅片減薄技術(shù)仍然是一個科技難題。因此，對硅片減薄技術(shù)的探索和開發(fā)具有極高的學術(shù)意義和實用價值。
[0003]在傳統(tǒng)的機械減薄技術(shù)工藝下，最多只能將硅片從晶圓加工后的原始厚度減薄到120mm左右，且減薄后會在硅片表面甚至內(nèi)部殘留一些損傷和內(nèi)應力，這個厚度可以應對傳統(tǒng)減薄工藝中各個工序?qū)杵膿p傷和內(nèi)應力。如此減薄的硅片，當厚度在120mm左右，由于其本身的剛性可以保持平整的狀態(tài)。當厚度在50mm以下，則顯現(xiàn)出很強的脆性和不穩(wěn)定性，在傳統(tǒng)加工和轉(zhuǎn)移過程中極易破裂損壞。除不能滿足減薄要求外，傳統(tǒng)減薄工藝過程繁瑣、設備要求高，磨削排出的粉塵不能回收且污染環(huán)境；且需要高溫條件、耗能太大。所以傳統(tǒng)的機械減薄工藝具有非常大的局限性。與之相比，化學濕法腐蝕技術(shù)由于其操作簡單、工藝條件要求低等獨特的優(yōu)勢，得到了深入的發(fā)展和廣泛的應用。本發(fā)明采用化學濕法各向異性腐蝕的原理，實現(xiàn)了單步法對硅表面的均勻腐蝕，獲得了表面光滑平整的超薄單晶硅片(< 50mm);且可按需要控制反應條件，進一步制備出厚度在1mm以下具有超強機械柔性的超薄硅片。這種硅片減薄技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢:首先，減薄后的硅表面光滑平整，且不會出現(xiàn)裂紋和崩邊；其次，低溫常壓下濕法化學刻蝕，單步實現(xiàn)硅片減薄，不需要復雜的高溫加熱設備與鍍膜儀器，可重復性好，成本低，易于工業(yè)化生產(chǎn)；最后，硅片的尺寸不受限制。因此，開發(fā)這種簡單、高效的硅片減薄技術(shù)具有很好的實際應用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提出一種用于制備大面積柔性超薄單晶硅片的濕法化學腐蝕法。其特征在于:利用強堿能腐蝕硅和保護劑在刻蝕過程中能保護硅片表面的特性，將預處理后的硅片浸入“水/強堿/保護劑”均勻混合的減薄液中，恒溫水浴環(huán)境下一步即可實現(xiàn)硅片的均勻減薄；減薄厚度可以自由控制，最薄可以達到10_以下。具體步驟如下:
a.硅片預處理:依次利用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗，每步超聲完都用大量去離子水沖洗，此過程可除去硅片表面附著的灰塵和有機污染物等雜質(zhì)；再用氫氟酸浸泡，去除硅片表面的氧化層；然后去離子水沖洗，得到清潔的硅表面；
b.減薄液配制:在聚四氟乙烯容器中配制一定濃度范圍的“水/強堿/保護劑”混合溶液，放在磁力攪拌器上攪拌10~20分鐘，使溶液充分混合，然后放入水浴中預熱；
c.硅片的減薄:把預處理好的硅片用夾具固定好，然后連同夾具一起豎直浸沒到減薄液中，可以觀察到硅片兩側(cè)立刻生成大量氣泡；采用這種方法，只要反應容器足夠大，硅片的尺寸不受限制；
d.厚度的控制:減薄液配比和水浴溫度恒定的情況下，控制反應時間即可獲得特定厚度的硅片:反應一定時間后，將硅片取出，迅速用大量去離子水沖洗數(shù)次；
e.吹干保存:快速用氮氣將超薄硅片表面的水漬徹底吹干，干燥箱中干燥，然后放入干燥器中保存。減薄后得到的超薄硅片在肉眼下可觀察到硅表面光亮平整，且邊緣無崩邊、微裂紋等缺陷；當硅片厚度達到15_以下時，即可允許波長較長的紅光透過。
[0005]所述步驟a采用的氫氟酸的質(zhì)量百分比濃度為5%~10% ；
所述步驟b減薄液中采用的強堿為氫氧化鉀，保護劑為異丙醇或者正丁醇；
所述步驟c采用的減薄液中，氫氧化鉀的質(zhì)量百分比濃度為45°/『50%，異丙醇或正丁醇的質(zhì)量百分比濃度為12%~16% ;
所述步驟d采用的水浴溫度為70°C -90°C ;
所述硅片為N型(100)取向雙面拋光單晶硅片，其電阻率在1~5 W-cm。
[0006]本發(fā)明的優(yōu)勢是采用本發(fā)明的方法能夠簡易地制備出高質(zhì)量的超薄單晶硅片，且厚度可控。總結(jié)為以下三點:
(1)工藝簡單、成本低。本發(fā)明用到的方法不需要高溫、高壓和大型設備，僅在低溫、常壓下使用水浴鍋和簡單夾具即可單步法實現(xiàn)硅片減??；
(2)成品質(zhì)量高，尺寸無限制。本發(fā)明的減薄方法不涉及物理應力，減薄的硅片呈鏡面效果，無明顯缺陷，易于與當前的拋光技術(shù)相結(jié)合而形成產(chǎn)業(yè)化應用；
(3)厚度可控。控制反應溫度和反應時間即可制備出特定厚度的超薄硅片。
【附圖說明】
[0007]圖1是N型(100) Si減薄前與減薄后的厚度對比；
圖2是柔性超薄硅片彎曲性能圖。
【具體實施方式】
[0008]本發(fā)明提出一種用于制備大面積柔性超薄單晶硅片的濕法化學腐蝕法。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明予以進一步說明。
[0009]實施例1
1.采用電阻率為1~5W.cm的N (100)雙面拋光單晶硅片，在丙酮、無水乙醇和去離子水中各超聲清洗5分鐘；每次超聲完均用去離子水沖洗2分鐘；之后在質(zhì)量百分比濃度為5%的氫氟酸中常溫浸泡5分鐘；用電阻率在18 W-cm以上的去離子水沖洗2分鐘，真空干燥；
2.用固體氫氧化鉀、異丙醇及電阻率在18W-cm以上的去離子水，配制成為具有以下濃度特征的混合液(以下稱減薄液):氫氧化鉀質(zhì)量百分比濃度為45%，異丙醇質(zhì)量百分比濃度為12% ;磁力攪拌器上攪拌10~20分鐘，促進氫氧化鉀充分溶解并使溶液混合均勻；然后放入70~90°C的水浴中預熱； 3.把預處理后的硅片用聚四氟乙烯夾具固定好，豎直浸入減薄液中，可觀察到硅片表面迅速生成大量氣泡，從硅片表面快速剝離并從液面逸出，此反應過程持續(xù)進行，硅片被逐漸均勻減?。?br> 4.控制反應時間與水浴溫度獲得所需厚度的超薄硅片。如圖1所示，以取向(100)的N型雙面拋光單晶硅片為例，在80°C水浴中反應5小時可獲得厚度約25_的超薄硅片；
5.減薄反應至預期的時間，取出硅片，迅速用去離子水反復沖洗2分鐘，防止硅表面的殘余減薄液繼續(xù)反應，然后用純氮快速吹干；
6.去除夾具，肉眼可觀察到減薄后硅表面光亮平整，無麻點與白斑，呈鏡面效果。當硅片厚度小于25_時，呈現(xiàn)出很強的柔性，有優(yōu)異的彎曲性能；進一步增加減薄時間，可獲得厚度更小的硅片，此方法制備的超薄硅片厚度在15_以下即允許波長較長的紅光透過。
[0010]7.抽真空干燥，在干燥器中保存。
[0011]本發(fā)明采用N (100)雙面拋光單晶硅片，利用丙酮、無水乙醇、去離子水和氫氟酸預處理得到清潔的硅表面，避免了傳統(tǒng)清洗方法的高溫加熱、工藝復雜、效率較低、且所需原料有毒的缺點。配制由氫氧化鉀、異丙醇和去離子水均勻混合而成的減薄液，并放入70-90 0C水浴中預熱。將用夾具固定好的硅片浸入減薄液中，在強堿對硅表面各向異性腐蝕和異丙醇保護作用的共同作用下，硅材料被均勻去除。反應一段時間后，取出硅片，去離子水反復沖洗干凈，可觀察到硅表面光亮平整，呈鏡面效果，無明顯的減薄缺陷。
【主權(quán)項】
1.一種用于制備大面積柔性超薄單晶硅片的濕法化學腐蝕法，其特征在于，采用強堿對硅表面各向異性腐蝕和異丙醇保護作用的共同作用特性，單步法實現(xiàn)硅片均勻減薄，具體步驟如下: a.硅片預處理:依次利用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗，每步超聲完都用大量去離子水沖洗，此過程可除去硅片表面附著的灰塵和有機污染物等雜質(zhì)；再用氫氟酸浸泡，去除硅片表面的氧化層；然后去離子水沖洗，得到清潔的硅表面； b.減薄液配制:在聚四氟乙烯容器中配制一定濃度范圍的“水/強堿/保護劑”混合溶液，放在磁力攪拌器上攪拌10~20分鐘，使溶液充分混合，然后放入水浴中預熱； c.硅片的減薄:把預處理好的硅片用夾具固定好，然后連同夾具一起豎直浸沒到減薄液中，可以觀察到硅片兩側(cè)立刻生成大量氣泡；采用這種方法，只要反應容器足夠大，硅片的尺寸不受限制； d.厚度的控制:減薄液配比和水浴溫度恒定的情況下，控制反應時間即可獲得特定厚度的硅片:反應一定時間后，將硅片取出，迅速用大量去離子水沖洗數(shù)次； e.吹干保存:快速用氮氣將超薄硅片表面的水漬徹底吹干，干燥箱中干燥，然后放入干燥器中保存。2.減薄后得到的超薄硅片在肉眼下可觀察到硅表面光亮平整，且邊緣無崩邊、微裂紋等缺陷；當硅片厚度達到15_以下時，即可允許波長較長的紅光透過。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于制備大面積柔性超薄單晶硅片的濕法化學腐蝕法，其特征在于，所述步驟a中氫氟酸質(zhì)量百分比濃度為5°/『10%。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于制備大面積柔性超薄單晶硅片的濕法化學腐蝕法，其特征在于，所述步驟b采用的水浴溫度為70~90°C。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于制備大面積柔性超薄單晶硅片的濕法化學腐蝕法，其特征在于，所述步驟b中的強堿為氫氧化鉀，保護劑為異丙醇或正丁醇；且減薄液中氫氧化鉀的質(zhì)量百分比濃度為45°/『50%，異丙醇或正丁醇的質(zhì)量百分比濃度為12°/『16%。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于制備大面積柔性超薄單晶硅片的濕法化學腐蝕法，其特征在于，所述步驟c中硅片在浸沒入減薄液之前必須用夾具固定好，且必須豎直放置到減薄液中。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于制備大面積柔性超薄單晶硅片的濕法化學腐蝕法，其特征在于，所述硅片為N (100)取向單晶硅片，且必須為雙面拋光，其電阻率在1~5 W-cm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于半導體技術(shù)領域的一種用于制備大面積柔性超薄單晶硅片的濕法化學腐蝕法。本發(fā)明采用N（100）雙面拋光單晶硅片，利用丙酮、無水乙醇、去離子水和氫氟酸預處理得到清潔的硅表面，配制由氫氧化鉀、異丙醇和去離子水均勻混合而成的減薄液并放入水浴中預熱，然后把用夾具固定好的硅片浸入減薄液，通過控制反應時間和溫度可獲得所需厚度的超薄硅片。超薄硅片表面光亮平整，呈鏡面效果，無明顯的減薄缺陷。本發(fā)明利用單步法簡化硅片減薄的工藝過程，并保持了低溫、常壓下濕法腐蝕的特征，首次獲得了厚度可達10mm以下的超薄硅片，拓寬了濕法硅刻蝕的應用范疇，為硅片減薄工藝提供了新的思路和技術(shù)手段。
【IPC分類】H01L21/02
【公開號】CN105047528
【申請?zhí)枴緾N201510219200
【發(fā)明人】李美成, 李瑞科, 陳杰威, 付鵬飛, 白帆, 黃睿
【申請人】華北電力大學
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年5月4日