晶圓超精密磨削加工表面層損傷的研究

張文斌，高 岳，張敏杰

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

IC 所用的材料主要是硅、鍺和砷化鎵等，其中硅器件占世界上出售的所有半導體器件的90%以上，半導體硅已成為生產規模最大、單晶直徑最大、生產工藝最完善的半導體材料，它是固態電子學及相關的信息技術的重要基礎。因此，可以說IC 的發展離不開晶體完整、高純度、高精度、高表面質量的硅晶片。

硅片表面層質量直接影響著器件的性能、成品率以及壽命，隨著IC 制造技術的飛速發展，為了提高IC 的集成度，要求硅片的刻線寬度越來越細。相應地，對硅片表面層質量的要求也日益增高，即要求硅片表面高度平整光潔，幾何尺寸均勻，有精確的定向，表面層無任何的損傷。從硅單晶錠到單晶硅片需要一系列的機械和化學加工過程，如切、磨、拋等。在硅片切割、研磨、磨削等加工過程中會不可避免地在硅片表面產生微劃痕、微疵點、微裂紋、殘余應力、晶格畸變等加工損傷。然而，硅片加工表面層損傷及加工表面層物理化學性質的任何微小變化都會導致器件成為廢品，因此，硅片表面層損傷是評價硅片加工質量的一個重要指標。研究和提高硅片加工工藝，從而獲得無損傷的硅片表面是大規模集成電路向更高一級發展的關鍵問題之一。

隨著硅片尺寸的增大，超精密磨削技術得到了大力度的研究。其中，具有低損傷、高精度、高效率等優點的硅片自旋轉磨削技術正逐步取代傳統的研磨技術，成為拋光硅片加工和圖形硅片背面減薄的主流加工技術。然而，自旋轉磨削加工會不可避免地給硅片表面層帶來損傷，該損傷會影響后續工序的加工時間，減小硅片磨削表面層損傷深度可以減少昂貴的后續化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工序的拋光時間，提高加工效率。

本文旨在研究硅片自旋轉磨削表面層損傷的特征、分布規律及其形成原因，提出減小硅片磨削表面層損傷深度的工藝措施。該研究能夠為提高硅片磨削表面層質量，為減少后續拋光工序的拋光時間，為實現代替研磨省去拋光前腐蝕過程提供指導。從而對最終實現硅片的高精度、高效率、無損傷、超光滑表面的加工有著重要的指導意義。

1 晶圓減薄機工藝過程和原理

1.1 晶圓減薄機工藝過程

硅片背面磨削一般分為粗磨和精磨。在粗磨階段，采用粒度46#～500# 的金剛石砂輪，軸向進給速度為100～500 mm/min，磨削深度較大，一般為0.5～1 mm。目的是迅速地去除硅片背面絕大部分的多余材料（加工余量的90%）。精磨時，加工余量幾微米直至十幾微米，采用粒度2000#～4000#的金剛石砂輪，軸向進給速度為0.5～10 mm/min。主要是消除粗磨時形成的損傷層，達到所要求的厚度，在精磨階段，材料以延性域模式去除，硅片表面損傷明顯減小。

1.2 晶圓減薄機磨削原理

當前主流晶圓減薄機的整體技術采用了In-feed 磨削原理設計。為了實現晶圓的延性域磨削，提高減薄質量，通過減小砂輪軸向進給速度實現微小磨削深度，因此，要求設備的進給運動分辨率小于0.1 μm，進給速度最小1 μm/min。另外，為了提高減薄工藝的效率，進給系統在滿足低速進給的前提下，要盡可能實現高速返回（見圖1）。

圖1 晶圓減薄原理示意圖

2 實驗研究

研究磨削參數(砂輪粒度、砂輪轉速n1、工作臺轉速n2和砂輪進給速度f 等) 對損傷深度的影響規律及降低硅片損傷深度有一定的指導意義。為了得到磨削參數對硅片表面損傷深度的影響規律，磨削實驗用北京中電科JB-802 全自動晶圓減薄機進行（見圖2）。

圖2 JB-802 全自動晶圓減薄機

2.1 工藝操作步驟

為了研究砂輪粒度、砂輪進給速度、砂輪轉速、工作臺轉速對硅片的表面損傷深度的影響規律，分別對它們進行試驗研究。取40 片200 mm(8 英寸)晶片，4 片1 組，分10 組，運行自動磨削過程。

2.2 砂輪粒度對損傷深度的影響

硅片磨削過程中通常先用粗砂輪進行粗磨，用來快速去除材料并使硅片達到一定的表面平整度，然后用細砂輪精磨以獲得較好的表層質量，盡可能減少后續拋光工序的拋光時間，降低成本。

為了分析砂輪粒度對損傷深度的影響，對#325(4 片)、#600(4 片)、#2000(4 片)和#3000(4 片)砂輪磨削硅片的損傷深度進行檢測，損傷深度結果如表1 所示。

砂輪粒度與損傷深度的關系如圖3 所示。

表1 不同砂輪磨削硅片的損傷深度

圖3 砂輪粒度與損傷深度的關系

2.3 砂輪轉速、工作臺轉速及砂輪進給率對損傷深度的影響

由于#2000 砂輪磨削硅片的損傷檢測相對較容易且誤差小，在研究砂輪轉速、工作臺轉速和砂輪進給率對損傷深度的影響時都選用#2000 砂輪磨削硅片。首先對砂輪轉速、工作臺轉速和砂輪進給率對損傷深度的影響進行單因素實驗分析，不同參數下加工硅片的損傷深度結果分別如表2～表4 所示。

表2 不同砂輪轉速下硅片的損傷深度

表3 不同工作臺轉速下硅片的損傷深度

表4 不同砂輪進給率下硅片的損傷深度

僅改變砂輪進給率的大小，其它磨削參數均不變，損傷深度值如表4 所示。當其它磨削參數不變時，硅片的損傷深度隨著砂輪進給率的增大而增大，且損傷深度值增大的很快。因為砂輪進給率增大而轉速不變時，砂輪磨削深度增大，從而對硅片表面的切削力和擠壓力也增大，單位時間內去除的材料增多，材料脆性斷裂的趨勢增大，因此損傷深度也增大。因此，為了減小硅片的損傷深度，就要在一定范圍減小砂輪進給率，不過這樣會降低材料去除率，延長了加工時間，增加成本，所以在選擇磨削參數時，要綜合考慮這兩方面的因素。

2.4 結果分析

為了研究砂輪粒度、砂輪進給速度、砂輪轉速、工作臺轉速對硅片表面損傷深度的影響規律，分別對它們進行試驗研究。

通過實驗得出如下結論：

（1）磨削參數對硅片的損傷深度影響程度由大到小依次為砂輪粒度、砂輪進給速度、砂輪轉速和工作臺轉速。隨著砂輪粒度的減小，硅片的損傷深度減小。當其它磨削參數不變時，硅片的損傷深度隨著砂輪進給率的增大而增大，隨著砂輪轉速的增大而減小，隨著工作臺轉速的增大而減小。

（2）為了減小硅片磨削后的損傷深度，應盡量減小磨削砂輪的粒度并提高砂輪粒度分布的均勻性，在一定范圍內減小砂輪進給率、增大砂輪轉速和工作臺轉速。因此，在選定磨削參數時，要結合材料去除率、損傷深度、表面粗糙度等指標的具體要求，參照磨削參數對損傷的影響規律，在合適的范圍內選取適當的磨削參數。

3 結 論

綜上所述，研究硅片磨削表面層損傷機理及磨削加工參數對硅片損傷深度的影響規律，可以為減小硅片損傷深度，提高硅片磨削加工表面層質量，減少后續拋光時間，甚至為實現以磨代拋提供理論依據。

[1] 田業冰，郭東明，康仁科，金洙吉. 大尺寸硅片自旋轉磨削的試驗研究[J]. 金剛石與磨料模具工程，2004，28(9)：12-15.

[2] 柳濱.晶片減薄技術原理概況[J].電子工業專用設備.2005，34(6)：22-25.