激光散射检测半导体硅片亚表面损伤的基础研究

Surface and subsurface damage is usually induced in machining of hard and brittle materials, such as silicon wafers. Different from surface damage, subsurface damage is often concealed, making its detection a world-wide challenge. This project proposes a novel laser scattering method for subsurface damage measurement. The project investigates light scattering mechanisms, establishes a correlation between scattering intensity and damage, and explores how damage configurations effect on scattering intensity distribution. The project uses the innovative cross-polarization confocal-microscopy technique to realize high spatial resolution and depth penetration, and the dual detector technique to enhance 3D detection ability, so as to achieve both quantitative and qualitative evaluations. The measurement results from the proposed scattering method are verified by the destructive methods. The research outcome is anticipated to serve as a basis for ductile/brittle regime machining of brittle materials, and for the semiconductor industry to measure subsurface damage at a high efficiency and quality, but a low cost.

半导体硅片等硬脆材料在加工制造过程中会产生裂纹等表面和亚表面损伤。和表面损伤不同，亚表面损伤具有隐蔽性和复杂性，其无损检测是一个难题，尚无成熟可靠的手段。针对这一难题，本项目提出一种无损、高效、可靠的激光散射检测新方法，研究硅片亚表面损伤的激光散射机理，建立散射光强度与损伤相关性理论，探索裂纹形态对散射光强度分布的影响规律，从而进一步确立激光散射测量的定性和定量评价方法，优化激光散射系统性能。本项目将交叉偏振技术与共焦光学成像技术相组合，增强系统的深度方向透入能力与空间分辨率；使用双测头技术提高系统对于裂纹形态与走向的分辨能力。使用破坏性检测方法验证激光散射系统的测量结果，给出定量定性的评价指标。研究成果将为半导体硅片等脆性材料的脆性域/延性域加工提供快捷、可靠的依据，并为集成电路硅片以及其他半导体材料的损伤检测提供理论和技术支持。

单晶硅是半导体产业的主要衬底材料，广泛应用于集成电路、光伏电池等产业。单晶硅为硬脆材料，磨削中不可避免地引入亚表面加工损伤，破坏硅片加工表面完整性，降低最终零部件的性能和寿命。检测单晶硅亚表面损伤能够指导后序损伤去除工艺优化，对于提高单晶硅整体加工效率和加工质量意义重大。然而目前缺乏高效的方法检测硅片磨削亚表面损伤，导致了硅片的整体加工效率低，成本高。为此本项目深入研究了单晶硅磨削亚表面损伤偏振激光散射检测方法。项目主要的研究内容和结论如下：.(1) 研究了不同磨削工况下，硅片亚表面损伤形态分布和深度分布。研究结果表明，当采用粗磨粒磨削时，亚表面裂纹倾向沿{111}解理面形成；然而当采用细磨粒磨削时，亚表面裂纹倾向于在其它非解理面形成，从磨削硅片表面的中心到边缘亚表面损伤深度逐渐增加。.(2) 基于电磁场散射理论，建立了单晶硅亚表面损伤散射电磁场模型，阐述了偏振激光散射检测原理，结合磨削亚表面损伤分布，研究了磨削表面和亚表面损伤偏振激光散射电磁场的分布规律。结合磨削硅片亚表面损伤的分布，提出了采用s偏振光垂直入射磨削表面的检测方案。.(3) 设计并搭建了硅片磨削亚表面损伤偏振激光散射检测系统，通过了实验验证，表明亚表面损伤是影响偏振激光散射检测的主要因素，表面粗糙度对于偏振激光散射检测的影响可以忽略。.(4) 研究了磨削残余应力对偏振激光散射信号的影响规律，提出了适用于检测单晶硅磨削亚表面损伤的偏振激光散射检测方法，该方法指出在单晶硅磨削亚表面损伤偏振激光散射检测中，使入射激光的偏振方向沿硅片表面磨纹走向进行检测，可消除残余应力的影响，提高亚表面损伤的检测精度。.(5) 研究了偏振激光散射检测信号与亚表面损伤分布的关联关系。研究表明，偏振激光散射检测信号取决于亚表面损伤深度和亚表面损伤密度，其中亚表面损伤深度为主要影响因素。偏振激光散射检测可检测出深度最小为0.1 μm的亚表面损伤，检测信号与亚表面损伤深度具有幂指数关系。