影響硅片倒角加工效率的工藝研究

康洪亮　陶術(shù)鶴　張偉才（中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220）

影響硅片倒角加工效率的工藝研究

康洪亮陶術(shù)鶴張偉才
（中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220）

本文通過分析倒角邊緣磨削原理，利用不同尺寸的晶圓，不同的倒角吸盤轉(zhuǎn)速，不同甩干程序?qū)M(jìn)行倒角程序加工并統(tǒng)計(jì)其加工時(shí)間，進(jìn)而分析不同加工條件對倒角邊緣磨削加工效率的影響，從而進(jìn)行最大的改善、優(yōu)化和提升。

倒角邊緣磨削；晶圓尺寸；吸盤轉(zhuǎn)速；甩干；磨削效率

一、引言

在半導(dǎo)體晶圓的加工工藝中，對晶圓邊緣磨削是非常重要的一環(huán)。晶錠材料被切割成晶圓后會(huì)形成銳利邊緣，有棱角、毛刺、崩邊，甚至有小的裂縫或其它缺陷，邊緣的表面也比較粗糙。而晶圓的構(gòu)成材料如Si、Ge、InP、GaAs、SiC等均有脆性。通過對晶圓邊緣進(jìn)行倒角處理可將切割成的晶圓銳利邊修整成圓弧形，防止晶圓邊緣破裂及晶格缺陷產(chǎn)生，增加晶圓邊緣表面的機(jī)械強(qiáng)度，減少顆粒污染。同時(shí)也可以避免和減少后面的工序在加工、運(yùn)輸、檢驗(yàn)等等工序時(shí)產(chǎn)生的崩邊。倒角后的晶圓由于有了一個(gè)比較圓滑的邊緣，不易再產(chǎn)生崩邊，使后面工序加工的合格率大幅提高。在拋光工藝中，如果晶圓不被倒角，晶圓鋒利的邊緣將會(huì)給拋光布帶來劃傷，影響拋光布的使用壽命，同時(shí)也影響到產(chǎn)品的加工質(zhì)量（如晶圓的劃道）。如硅晶圓除用于太陽能電池制造還常用于制造集成電路。晶圓在制造集成電路的多個(gè)工序中，需要多次在 1000多度的高溫中進(jìn)行氧化、擴(kuò)散和光刻。如果晶圓邊緣不好，如有崩邊、或邊緣沒有被倒角，升溫和降溫的過程中，晶圓的內(nèi)應(yīng)力得不到均勻的釋放。在高溫中晶圓非常容易碎裂或變形，最終使產(chǎn)品報(bào)廢，造成較大的損失。由于晶圓邊緣不好，掉下來的晶渣，如果粘在硅晶圓的表面，將會(huì)給光刻工藝的光刻版造成損壞，同時(shí)造成器件的表面有針孔和曝光不好，影響產(chǎn)品的成品率。同時(shí)，通過邊緣倒角可以規(guī)范晶圓直徑。通常晶圓的直徑是由滾圓工序來控制的，由于滾圓設(shè)備的精度所限，表面的粗糙度和直徑均無法達(dá)到客戶的要求，倒角工序能很好的控制晶圓直徑和邊緣粗糙度。晶棒滾磨后，其表面十分粗糙，在后續(xù)的傳遞和切割過程中，邊緣損傷會(huì)因?yàn)闄C(jī)械撞擊向內(nèi)延伸，晶圓切割成型后，邊緣存在一圈微觀的損傷區(qū)域。

表1 相同清洗程序時(shí)倒100片晶圓所需時(shí)間

在今年的目標(biāo)責(zé)任書中，今年產(chǎn)量比去年增加30%，此外，在今年的生產(chǎn)加工中，多次由于倒角設(shè)備故障及檢修影響整個(gè)生產(chǎn)線的進(jìn)度，在不增加設(shè)備的情況下，如何挖掘現(xiàn)有設(shè)備及人員的潛力，提高倒角加工效率，是個(gè)重要的研究課題。

圖1 倒角機(jī)加工示意圖

圖2 倒角后清洗程序

二、實(shí)驗(yàn)原理

目前國內(nèi)半導(dǎo)體材料加工廠家，大多使用的設(shè)備是日本東精精密產(chǎn)的W-GM系列倒角機(jī)和大途株式會(huì)社的WBM系列倒角機(jī)，普遍采用八英寸倒角砂輪。當(dāng)前國內(nèi)倒角機(jī)設(shè)備使用的磨輪從制造方法上分主要有兩種類型：一種是電鍍法的磨輪；一種是燒結(jié)法的磨輪。電鍍法的磨輪主要是美國生產(chǎn)的Diamotec和Nifec等，燒結(jié)法的磨輪主要有日本的 Asahi（SUN）、KGW 等。

倒角工藝主要是根據(jù)倒角設(shè)備的情況和所使用的磨輪磨削材料的粒度選定合適的磨輪轉(zhuǎn)速、硅片轉(zhuǎn)速、硅片去除量、倒角圈數(shù)、磨輪型號、切削液類型、切削液流量等來生產(chǎn)出滿足客戶需求的產(chǎn)品。倒角機(jī)用于對晶圓邊緣進(jìn)行磨削，晶圓通常被真空吸附在承片臺上旋轉(zhuǎn)，通過控制晶圓運(yùn)動(dòng)，由帶V型槽的砂輪高速旋轉(zhuǎn)對晶圓邊緣進(jìn)行磨削。

我們單位自動(dòng)倒角機(jī)最多的是大途株式會(huì)社的WBM-2200倒角機(jī)，其加工步驟是：取片→測厚→對中→移載到倒角吸盤→倒角→移載到甩干吸盤→甩干→測直徑對位→放回花欄。其中取片、測厚、對中、移載、等加工步驟時(shí)間是比較固定的，只有倒角和甩干時(shí)間是可以進(jìn)一步挖掘潛力的。所以我們從這兩方面進(jìn)行分析。為了實(shí)驗(yàn)方便，我們只選用帶一個(gè)參考面的晶圓進(jìn)行分析。

表2 相同吸盤轉(zhuǎn)速下隨清洗時(shí)間變少的百片加工時(shí)間（秒）

三、實(shí)驗(yàn)部分

1 設(shè)備和儀器

WBM-2200倒角機(jī)，秒表。

2 原材料

2、3、4、5英寸硅切割片，2寸晶圓主參16mm，3寸晶圓主參22mm，4寸晶圓主參32.5mm，5寸晶圓主參42mm，厚度260um～620um，晶片TTV值不大于10um，Warp值不大于30um。

槽半徑127um～228.6um（22°、11°）的金剛石倒角砂輪。

3 實(shí)驗(yàn)過程

利用不同尺寸的晶圓，不同的倒角吸盤轉(zhuǎn)速，不同甩干程序?qū)M(jìn)行倒角，并記錄加工100片的總時(shí)間。

四、結(jié)果與討論

1 在相同的倒角清洗甩干程序（即圖2 所設(shè)程序）時(shí)，加工100片晶圓的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：

分析表1數(shù)據(jù)可知，在相同的清洗甩干程序下，2寸、3寸、4寸、5寸吸盤轉(zhuǎn)速在15mm/s和18mm/s時(shí)，每百片加工時(shí)間基本一樣。在5寸吸盤轉(zhuǎn)速12mm/s時(shí)和加工5寸（11°）時(shí)才需較長時(shí)間。我們做了一下統(tǒng)計(jì)：

步驟1：機(jī)械手從甩干臺取片→測直徑→放回花欄→取下一片→測厚、對中 時(shí)間為21.6s；

步驟2：機(jī)械手從對中取片到放到倒角吸盤時(shí)間 32.3s；

步驟3：機(jī)械手從倒角吸盤取片放到清洗甩干臺上時(shí)間 28.6s。

因此只有在5寸吸盤轉(zhuǎn)速12mm/s時(shí)和加工5寸（11°）時(shí)平均每片倒角加工時(shí)間為42.3s 、92.75s、 78.2s、68.6s，此時(shí)均大于步驟1、2、3所需時(shí)間。此時(shí)提高吸盤轉(zhuǎn)速，可提高加工效率。其他加工情況均不能提高加工效率。

此外選用合適的磨輪轉(zhuǎn)速，還需要全方面的考慮。在相同磨削量的情況下，提高磨輪轉(zhuǎn)速，可以降低硅片在磨削時(shí)的受力，所以不僅提高了磨輪的使用壽命，也降低了磨削后在硅片上殘余的機(jī)械應(yīng)力和硅片磨削表面的粗糙度，但磨輪轉(zhuǎn)速的提高，同樣也增加了磨削時(shí)產(chǎn)生的熱量，使磨削區(qū)的溫度升高，而溫度的升高，使硅材料的抗拉強(qiáng)度顯著下降，也影響了單晶硅的組織結(jié)構(gòu)，增加了磨削區(qū)域殘余的熱應(yīng)力，且溫度的升高，降低了磨輪金剛砂粒的硬度，也使磨粒與磨削材料之間產(chǎn)生擴(kuò)散磨損和粘接磨損，使磨粒迅速鈍化，降低了磨輪的使用壽命，也使磨削時(shí)磨削表面出現(xiàn)淺坑或溝痕，增加了表面粗糙度。同時(shí)磨輪轉(zhuǎn)速的提高也降低了磨輪軸的使用壽命，且提高磨輪轉(zhuǎn)速時(shí)若磨輪安裝動(dòng)平衡不好時(shí)磨輪軸在磨削時(shí)的軸向和徑向跳動(dòng)量也會(huì)增加，不利于加工出光滑的表面。所以，磨輪轉(zhuǎn)速的選擇原則是在保證磨削區(qū)域溫度不影響硅片和磨粒性能和磨輪軸壽命的情況下盡可能選擇高的轉(zhuǎn)速。磨輪在一定轉(zhuǎn)速下磨削區(qū)域的溫度又與磨粒粒徑、磨削量、磨削液流量有關(guān)系。

2 在相同的倒角吸盤轉(zhuǎn)速時(shí)

從圖2所示的倒角清洗程序中，清洗部吸盤干燥時(shí)間和加載晶圓后甩干（下面干燥 干燥時(shí)間）分別為9s和10s，再結(jié)合上面分析，若適當(dāng)調(diào)整我們得到下面數(shù)據(jù)（以2寸晶圓加工），見表2。

從表2可知，在清洗部吸盤干燥時(shí)間和加載晶圓后甩干（下面干燥 干燥時(shí)間）分別為7s和8s時(shí)（24h為2805片），6s和7s，5s和6s，4s和5s百片加工時(shí)間為3080s左右（此時(shí)步驟1、2、3為限制加工效率的因素，均不可調(diào)，影響機(jī)器和軸承壽命），比清洗部吸盤干燥時(shí)間和加載晶圓后甩干時(shí)間分別為9s和10s （24h為2498片）時(shí)，縮短400s，在一天（24小時(shí)）的加工中可提高300片，每月（30天）產(chǎn)量可提高7200片。此外在清洗部吸盤干燥時(shí)間和加載晶圓后甩干時(shí)間分別為4s和5s時(shí)，晶圓開始有機(jī)械手把晶圓放入花欄中失敗和甩不干現(xiàn)象，不利于加工和檢查。故應(yīng)根據(jù)晶圓尺寸的大小和冷卻水的情況適當(dāng)調(diào)節(jié)清洗部吸盤干燥時(shí)間和加載晶圓后甩干時(shí)間，比如在加工4寸晶圓時(shí)可以把清洗部吸盤干燥時(shí)間和加載晶圓后甩干時(shí)間設(shè)為7s 和8s。

結(jié)語

由以上分期可知，我們在實(shí)際加工中應(yīng)根據(jù)晶圓的實(shí)際情況作合理的程序設(shè)定。此外，在我們實(shí)際工作中最重要的根本因素是人。我們研究設(shè)備最優(yōu)的加工效率，歸根結(jié)底是要解放人的雙手，充分調(diào)動(dòng)人的積極性，改變?nèi)说木駹顟B(tài)，只有同事們的熱情得到了充分的發(fā)揮，我們的事業(yè)才會(huì)生機(jī)勃勃，大有可為。

倒角工藝的制定需要考慮各個(gè)方面的因素，需要根據(jù)設(shè)備能達(dá)到的狀態(tài)和客戶需求來選擇出最佳的工藝參數(shù)，也要根據(jù)設(shè)備狀態(tài)選用合適的磨輪，以達(dá)到最佳的倒角效果。

[1]康自衛(wèi)，王麗.硅片加工技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2]張厥宗.硅單晶拋光片的加工技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3]楊樹文.倒角機(jī)磨削系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué)，2006.

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