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  • 磨削技術(shù)

    單量硅的磨削方法

    發(fā)布時(shí)間:2022/12/30
                  單量硅的磨削方法
      與傳統(tǒng)的硅片研磨加工相比,硅片的磨削加工能夠更好地控制幾何尺寸和精度、可獲得較低的亞表面摜傷、較高的加工效率和較低的加工成本。因此,超精密磨削技術(shù)作為IC制造中一種先進(jìn)的大直徑硅片加工技術(shù)受到了極大的重視,一些先進(jìn)實(shí)用的硅片磨削技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,如轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削、硅片旋轉(zhuǎn)磨削和雙面磨削技術(shù)等。
      (1)轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削
      轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削是較早應(yīng)用的硅片磨削技術(shù),其工作原理如圖8所示。這種技術(shù)采用杯形金剛石砂輪立軸磨削方式;通過(guò)真空吸柱將多個(gè)硅片固定于轉(zhuǎn)臺(tái)上,在轉(zhuǎn)臺(tái)的帶動(dòng)下同步旋轉(zhuǎn),硅片本身并不繞其軸心轉(zhuǎn)動(dòng);直徑大于硅片的砂輪安裝于高精度滾動(dòng)軸承或靜fit,空氣軸承的主軸上高速旋轉(zhuǎn),同時(shí)沿軸向進(jìn)給。轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削有端面切入式磨削和端面切向式磨削兩種。端面切入式磨削時(shí),砂輪工作面寬度大于硅片直徑,砂輪沿其軸向連續(xù)進(jìn)給直至去除加工余量,磨削到要求的厚度尺寸為止,然后硅片在轉(zhuǎn)臺(tái)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)位。端面切向式磨削時(shí),砂輪繞其軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行軸向進(jìn)給,硅片隨旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)做水平切向連續(xù)進(jìn)給,直至磨削到要求的厚度尺寸為止。根據(jù)磨削深度和轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)給速度的不同,它還分為往復(fù)進(jìn)給磨削或緩進(jìn)給磨削。
       與研磨方法相比,轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削具有去除率高,表面損傷小,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。但是轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削時(shí)砂輪進(jìn)給受硅片之問(wèn)加工余量不均勻的影響;此外,由予磨削過(guò)程中砂輪的接觸面積、接觸長(zhǎng)度B和切入角0(砂輪外圓與硅片外圓之間夾角)均隨著砂輪切入位置的變化而變化,如圖9所示,導(dǎo)致磨削力不恒定,且變化的法向磨削力會(huì)引起工藝系統(tǒng)的彈性變形使硅片產(chǎn)生中凸現(xiàn)象,并容易產(chǎn)生塌邊、崩邊等缺陷,難以獲得理想的面型精度和表面質(zhì)量。特別是硅片直徑增大后,磨床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)尺寸也要相應(yīng)增大,工作臺(tái)面型精度和運(yùn)動(dòng)精度不易保證。因此,轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削技術(shù)主要應(yīng)用于直徑小于等于200mm硅片的加工。
      
      圖8轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削的工作原理示意圖
      為提高磨削效率,商用平面切向式磨削設(shè)備通常采用多砂輪結(jié)構(gòu)。例如在設(shè)備上裝備一套粗磨砂輪和一套精磨砂輪,旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周依次完成粗磨和精磨加工,該形式設(shè)備有美國(guó) GTI公司的G一500DS轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削設(shè)備(圖10)。
      (2)硅片旋轉(zhuǎn)磨削
      硅片旋轉(zhuǎn)磨削(Wafer Rotation Griding)是目前應(yīng)用較多的硅片磨削方法,其工作原理如圖11所示。這種技術(shù)采用杯形金剛石砂輪立軸或臥軸磨削方式:工件轉(zhuǎn)臺(tái)略大于硅片,通過(guò)真空吸缸每次裝夾1個(gè)硅片,使硅片的中心與轉(zhuǎn)臺(tái)的中心重臺(tái),并將杯形金剛石砂輪的工作面調(diào)整到硅片的中心位置;砂輪安裝于高精度滾動(dòng)軸承或靜壓空氣軸承的主軸上高速旋轉(zhuǎn),硅片繞其軸線(xiàn)回轉(zhuǎn),砂輪主軸只作軸向進(jìn)給,進(jìn)行切入磨削。
      硅片旋轉(zhuǎn)磨削與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)磨削相比具有以下優(yōu)點(diǎn)。
      ①利用硅片旋轉(zhuǎn)磨削時(shí),硅片每轉(zhuǎn)的磨削深度£o與砂輪軸向進(jìn)給速度uf和硅片轉(zhuǎn)速nw的關(guān)系為tw=uf/rlw。由此式可知,在保持與普通端面磨削相同的磨削深度時(shí),可以通過(guò)同時(shí)提高硅片轉(zhuǎn)速u(mài)w和砂輪軸向進(jìn)給速度研來(lái)實(shí)現(xiàn)高效磨削。另外,對(duì)給定的砂輪軸向進(jìn)給速度uf,通過(guò)提高硅片轉(zhuǎn)速u(mài)f。可以減小硅片每轉(zhuǎn)的磨削深度,實(shí)現(xiàn)微量切深磨削。
      
      圖10美國(guó)GTI公司的G-500DS轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削設(shè)備
      ②杯形砂輪只是進(jìn)行軸向切入磨削,砂輪與硅片的接觸面積、接觸長(zhǎng)度B和切入角口固定,如圖12所示。因此,其磨削力相對(duì)比較恒定,加工狀態(tài)穩(wěn)定,硅片的面型精度高。
      
      圖11 硅片旋轉(zhuǎn)磨削的工作原理示意圖
      圖12硅片旋轉(zhuǎn)磨削時(shí)的砂輪接觸弧長(zhǎng)和切入角
      ③硅片磨削面型輪廓與砂輪和硅片軸線(xiàn)的夾角存在定量關(guān)系,如圖13所示。根據(jù)所檢測(cè)的硅片表面輪廓,通過(guò)微調(diào)整砂輪軸線(xiàn)和工件軸線(xiàn)之間的夾角,從理論上可以實(shí)現(xiàn)硅片面型精度的主動(dòng)控制。
      ④磨床只有沿砂輪主軸方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng),簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)有利于保證磨床的精度和剛度。
      ⑤每加工一個(gè)硅片時(shí),砂輪進(jìn)行連續(xù)的軸向切入磨削,加工余量不受限制,磨削進(jìn)給不受硅片之問(wèn)加工余量不均勻的影響,砂輪的磨損對(duì)硅片平整度的影響較小。
      ⑥硅片旋轉(zhuǎn)磨削設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,容易實(shí)現(xiàn)主軸多工位集成。
    由于硅片旋轉(zhuǎn)磨削具有上述優(yōu)點(diǎn),所以它不僅用于硅片制備過(guò)程中的硅片乎整化加工,而且廣泛應(yīng)用于IC后道制程中硅晶圓的背面減薄加工,成為超精密加工硅片的主流技術(shù)。
       
      圖13 硅片磨削面型輪廓與砂輪和硅片軸線(xiàn)夾角的關(guān)系
      (3)雙面磨削
      雙面磨削是因?yàn)樾D(zhuǎn)磨削方法磨削多線(xiàn)切割的硅片時(shí)存在表面波紋度“誤差復(fù)印”的缺點(diǎn),于20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)應(yīng)用的硅片磨削技術(shù),其工作原理如圖14所示。單晶硅片由兩側(cè)面對(duì)稱(chēng)分布的氣體靜壓或液體靜壓夾持器支承在保持環(huán)中,在輥?zhàn)拥膸?dòng)下緩慢旋轉(zhuǎn)。一對(duì)杯形金剛石砂輪位于單晶硅片的兩側(cè),在空氣軸承電主軸驅(qū)動(dòng)下沿相反的方向旋轉(zhuǎn)的同時(shí),同步軸向進(jìn)給磨削硅片的兩面。按照砂輪軸布置方向,雙面磨削分為臥式雙面磨削和立式雙面磨削,雙面磨削可有效去除多線(xiàn)切割硅片表面的波紋度和錐度,主要用于硅片制備過(guò)程中的硅片平整化加工,但不能用于IC后道制程的硅晶圓背面減薄加工。圖15為日本 Koyo公司生產(chǎn)的DXSG320臥式雙面磨削設(shè)備。
      
      圖14雙面磨削的工作原理不意圖
      表9所示為上述三種單晶硅片的磨削與雙面研磨的對(duì)比。雙面研磨主要應(yīng)用于200mm以下硅片加工,具有較高的出片率。由于采用固結(jié)磨料砂輪,單晶硅片的磨削加工能夠獲得遠(yuǎn)高于雙面研磨后的硅片表面質(zhì)量,因此硅片旋轉(zhuǎn)磨削和雙面磨削都能夠滿(mǎn)足主流300mm硅片的加工質(zhì)量要求,是目前最主要的平整化加工方法。選擇硅片平整化加工方法時(shí),需要綜合考慮單晶硅片直徑大小、表面質(zhì)量以及拋光片加工工藝等要求。晶圓的背面減薄加工只能選擇單面加工方法,如硅片旋轉(zhuǎn)磨削方法。
      
      圖15 日本Koyo公司DXSG320臥式雙面磨削設(shè)備
      表9 單晶硅磨削方法的比較

    項(xiàng) 目

    雙面研磨

    轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削

    硅片旋轉(zhuǎn)磨削

    雙面磨削

    同時(shí)加工硅片數(shù)量

    多片

    多片

    單片

    單片

    硅片裝夾方式

    行星輪

    真空吸盤(pán)

    真空吸盤(pán)

    保持架

    硅片最大尺寸/mm

    200

    200

    大于1300

    于等于300

    表面損傷深度

    20~30

    小于1.4(粗磨)

    小于0.4(精磨)

    小于1.4(粗磨)

    小于0.4(精磨)

    小于1.4(粗磨)

    小于0.4(精磨)

    去除波紋度的能力

    最好

    產(chǎn)片率(單片加工時(shí))

    大于1

    小于1

    小于0.5

    小于1

    材料去除率

    小于2.0

    20~100

    20~200

    20~200

    加工余量

    受限

    無(wú)限制

    無(wú)限制

    受限

    加工量

    大于等于30(單面)

    30~40(單面)

    10~300(單面)

    20~40(單面)

    磨削力

    受力小且均勻

    磨削力實(shí)時(shí)變化

    磨削力基本恒定

    磨削力基本恒定

    表面紋路樣式

    隨機(jī)

    波紋狀

    輻射狀

    交叉狀

    最佳表面粗糙度

    0-1~0.2,urn

    1~20nm

    1.0~20hm

    總厚度變化

    小于等于2.0

    小于等于1.0

    小于等于0.2

    小于等于0.2

    全局平整度

    小于等于0.13

    小于等于0.13

    小于等于0.13

    小于等于0.13

    局部平整度

    小于等于0.13

    小于等于0.13

    小于等于0.10

    小于等于0.10

    單晶硅片面型

    平面型

    有踏邊,A/楔型

    W/M/A/V型

    W/M/V型

    研磨液/磨削液

    水溶性或油溶性

    純水和表面活性劑的混合液

    純水和表面活性劑的混合液

    純水和表面活性型的混合液

    磨料

    AL2O3等游離磨料

    金剛石固結(jié)磨料

    金剛石固結(jié)磨料

    金剛石固結(jié)磨料


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