磨削技術(shù)
單量硅的磨削方法 |
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| 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
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