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單量硅的磨削方法

文章來源:  發布時間:2020/6/6  瀏覽次數:529
              單量硅的磨削方法
  與傳統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,超精密磨削技術作為IC制造中一種先進的大直徑硅片加工技術受到了極大的重視,一些先進實用的硅片磨削技術應運而生,如轉臺式磨削、硅片旋轉磨削和雙面磨削技術等。
  (1)轉臺式磨削
  轉臺式磨削是較早應用的硅片磨削技術,其工作原理如圖8所示。這種技術采用杯形金剛石砂輪立軸磨削方式;通過真空吸柱將多個硅片固定于轉臺上,在轉臺的帶動下同步旋轉,硅片本身并不繞其軸心轉動;直徑大于硅片的砂輪安裝于高精度滾動軸承或靜fit,空氣軸承的主軸上高速旋轉,同時沿軸向進給。轉臺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,砂輪工作面寬度大于硅片直徑,砂輪沿其軸向連續進給直至去除加工余量,磨削到要求的厚度尺寸為止,然后硅片在轉臺的帶動下轉位。端面切向式磨削時,砂輪繞其軸線旋轉并進行軸向進給,硅片隨旋轉工作臺運動做水平切向連續進給,直至磨削到要求的厚度尺寸為止。根據磨削深度和轉臺進給速度的不同,它還分為往復進給磨削或緩進給磨削。
   與研磨方法相比,轉臺式磨削具有去除率高,表面損傷小,容易實現自動化等優點。但是轉臺式磨削時砂輪進給受硅片之問加工余量不均勻的影響;此外,由予磨削過程中砂輪的接觸面積、接觸長度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,導致磨削力不恒定,且變化的法向磨削力會引起工藝系統的彈性變形使硅片產生中凸現象,并容易產生塌邊、崩邊等缺陷,難以獲得理想的面型精度和表面質量。特別是硅片直徑增大后,磨床旋轉工作臺尺寸也要相應增大,工作臺面型精度和運動精度不易保證。因此,轉臺式磨削技術主要應用于直徑小于等于200mm硅片的加工。
  
  圖8轉臺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備通常采用多砂輪結構。例如在設備上裝備一套粗磨砂輪和一套精磨砂輪,旋轉臺旋轉一周依次完成粗磨和精磨加工,該形式設備有美國 GTI公司的G一500DS轉臺式磨削設備(圖10)。
  (2)硅片旋轉磨削
  硅片旋轉磨削(Wafer Rotation Griding)是目前應用較多的硅片磨削方法,其工作原理如圖11所示。這種技術采用杯形金剛石砂輪立軸或臥軸磨削方式:工件轉臺略大于硅片,通過真空吸缸每次裝夾1個硅片,使硅片的中心與轉臺的中心重臺,并將杯形金剛石砂輪的工作面調整到硅片的中心位置;砂輪安裝于高精度滾動軸承或靜壓空氣軸承的主軸上高速旋轉,硅片繞其軸線回轉,砂輪主軸只作軸向進給,進行切入磨削。
  硅片旋轉磨削與旋轉工作臺磨削相比具有以下優點。
 ?、倮霉杵D磨削時,硅片每轉的磨削深度£o與砂輪軸向進給速度uf和硅片轉速nw的關系為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,可以通過同時提高硅片轉速uw和砂輪軸向進給速度研來實現高效磨削。另外,對給定的砂輪軸向進給速度uf,通過提高硅片轉速uf??梢詼p小硅片每轉的磨削深度,實現微量切深磨削。
  
  圖10美國GTI公司的G-500DS轉臺式磨削設備
 ?、诒紊拜喼皇沁M行軸向切入磨削,砂輪與硅片的接觸面積、接觸長度B和切入角口固定,如圖12所示。因此,其磨削力相對比較恒定,加工狀態穩定,硅片的面型精度高。
  
  圖11 硅片旋轉磨削的工作原理示意圖
  圖12硅片旋轉磨削時的砂輪接觸弧長和切入角
 ?、酃杵ハ髅嫘洼喞c砂輪和硅片軸線的夾角存在定量關系,如圖13所示。根據所檢測的硅片表面輪廓,通過微調整砂輪軸線和工件軸線之間的夾角,從理論上可以實現硅片面型精度的主動控制。
 ?、苣ゴ仓挥醒厣拜喼鬏S方向的進給運動,簡單結構和運動有利于保證磨床的精度和剛度。
 ?、菝考庸ひ粋€硅片時,砂輪進行連續的軸向切入磨削,加工余量不受限制,磨削進給不受硅片之問加工余量不均勻的影響,砂輪的磨損對硅片平整度的影響較小。
 ?、薰杵D磨削設備結構緊湊,容易實現主軸多工位集成。
由于硅片旋轉磨削具有上述優點,所以它不僅用于硅片制備過程中的硅片乎整化加工,而且廣泛應用于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。
   
  圖13 硅片磨削面型輪廓與砂輪和硅片軸線夾角的關系
  (3)雙面磨削
  雙面磨削是因為旋轉磨削方法磨削多線切割的硅片時存在表面波紋度“誤差復印”的缺點,于20世紀90年代開發應用的硅片磨削技術,其工作原理如圖14所示。單晶硅片由兩側面對稱分布的氣體靜壓或液體靜壓夾持器支承在保持環中,在輥子的帶動下緩慢旋轉。一對杯形金剛石砂輪位于單晶硅片的兩側,在空氣軸承電主軸驅動下沿相反的方向旋轉的同時,同步軸向進給磨削硅片的兩面。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切割硅片表面的波紋度和錐度,主要用于硅片制備過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公司生產的DXSG320臥式雙面磨削設備。
  
  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比。雙面研磨主要應用于200mm以下硅片加工,具有較高的出片率。由于采用固結磨料砂輪,單晶硅片的磨削加工能夠獲得遠高于雙面研磨后的硅片表面質量,因此硅片旋轉磨削和雙面磨削都能夠滿足主流300mm硅片的加工質量要求,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,需要綜合考慮單晶硅片直徑大小、表面質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,如硅片旋轉磨削方法。
  
  圖15 日本Koyo公司DXSG320臥式雙面磨削設備
  表9 單晶硅磨削方法的比較

項 目

雙面研磨

轉臺式磨削

硅片旋轉磨削

雙面磨削

同時加工硅片數量

多片

多片

單片

單片

硅片裝夾方式

行星輪

真空吸盤

真空吸盤

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

產片率(單片加工時)

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

無限制

無限制

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

磨削力實時變化

磨削力基本恒定

磨削力基本恒定

表面紋路樣式

隨機

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

金剛石固結磨料

金剛石固結磨料

金剛石固結磨料




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