多線切割工藝對(duì)研磨去除量的影響

蘇鵬飛，楊洪星，何遠(yuǎn)東，馬玉通

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220）

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多線切割工藝對(duì)研磨去除量的影響

蘇鵬飛，楊洪星，何遠(yuǎn)東，馬玉通

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220）

大直徑硅片的研磨去除量成為評(píng)價(jià)多線切割工藝水平的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，也有利于研磨工序單位成本的降低；切片損傷層深度是決定全片研磨去除量的主要因素，而切片幾何參數(shù)是決定局部研磨去除量的主要因素。通過(guò)對(duì)多線切割工藝中切片損傷層深度控制以及幾何參數(shù)的控制，從而降低晶片的研磨去除量。

硅；多線切割；損傷層；總厚度變化；翹曲度

在晶體加工過(guò)程中，隨著硅單晶尺寸的增大，多線切割技術(shù)正被廣泛應(yīng)用于晶體切割工序。線切割不會(huì)明顯改善翹曲，但是切割時(shí)硅的損耗顯著減小，同時(shí)損傷深度減小。這進(jìn)一步反饋到后續(xù)工藝，減小了顆粒產(chǎn)生、殘余損傷引起的位錯(cuò)形成、硅片破裂等可能性［5］。

硅切片的損傷層深度直接受晶體切割工藝影響，并影響著后續(xù)的晶片研磨工序的去除量。此外，切片的幾何參數(shù) ［如彎曲度 （TTV）、翹曲度（Warp）和平整度（Bow）］也間接影響著研磨工序的去除量。因此，本文從降低切片損傷層深度、控制切片幾何參數(shù)精度兩方面對(duì)多線切割工藝進(jìn)行研究。

1　試　驗(yàn)

1.1樣品

直徑：151 mm±0.2 mm；長(zhǎng)度：260 mm±10 mm；導(dǎo)電類型：P型；電阻率：8～13 Ω·cm。

1.2工藝流程

經(jīng)斷頭尾、單晶滾圓工序后，得到符合多線切割機(jī)加工要求的硅單晶，經(jīng)定向粘接、多線切割、脫膠、清洗等工藝過(guò)程獲得厚度為780 μm±20 μm的硅切割片，對(duì)硅切割片的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)倒角、磨片等工序進(jìn)行驗(yàn)證。

1.3試驗(yàn)驗(yàn)證

將硅切割片進(jìn)行倒角、研磨，雙面去除量30 μm時(shí)，表面質(zhì)量符合GB/T 12965硅單晶切割片和研磨片的要求。

2　結(jié)果與討論

2.1表面損傷層的控制

2.1.1表面損傷層形成機(jī)理

多線切割過(guò)程中砂漿因切割線往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶到切割區(qū)域，其中的碳化硅顆粒在切割線高速運(yùn)動(dòng)下通過(guò)滾壓、鑲嵌、刮擦過(guò)程完成切割。在一定壓力下，與負(fù)載軸產(chǎn)生的塑性區(qū)域平行的材料開始破裂、變碎并向表面擴(kuò)散。同時(shí)，塑性區(qū)域的邊緣還產(chǎn)生了淺徑向裂紋；外力卸載后殘余壓力組成的彈塑性區(qū)域可能導(dǎo)致表面產(chǎn)生平行橫向裂紋。當(dāng)裂紋到達(dá)表面后，碎屑材料即被移除。然而放射狀裂紋和中心狀裂紋仍然存在且直達(dá)表面，這就是多線切割工藝中晶片表面損傷層的形成機(jī)理。

2.1.2多線切割工藝對(duì)表面損傷層的影響

通常情況下，硅切片損傷層深度與碳化硅的粒徑大小有關(guān)，碳化硅粒徑越大，損傷層深度越深。由于砂漿的黏度隨使用時(shí)間的增加而降低［6］，將導(dǎo)致金屬線攜帶砂漿的能力逐步降低。考慮到砂漿的配比決定著砂漿的密度以及碳化硅在砂漿中的分布，故使用不同體積比的砂漿（即綠碳化硅和切削液的混合液）進(jìn)行試驗(yàn)。由表1可知，當(dāng)砂漿中綠碳化硅濃度過(guò)大或過(guò)小時(shí)，晶片表面研磨作用弱化，金屬線的切削力加強(qiáng)，增加了表面損傷層的深度，導(dǎo)致表面粗糙度變差。因此，綠碳化硅的濃度是晶片表面損傷層的影響因素。

表1　測(cè)試結(jié)果

2.2多線切割工藝對(duì)切片幾何參數(shù)的影響

2.2.1多線切割工藝對(duì)切片TTV的影響

在砂漿流量一定的條件下，提高供線速度，金屬線上的砂漿分布均勻，砂漿與單晶的接觸面積增大，由于砂漿的研磨作用，切片表面凹點(diǎn)與凸點(diǎn)之間的差異降低，提高切片的TTV水平。在供線速度一定的條件下，提高砂漿流量，金屬線的負(fù)載增加且在切割方向的波動(dòng)增大，容易出現(xiàn)斷線。本研究中，開展了不同供線速度、不同砂漿流量的多線切割工藝的正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2表中可知，砂漿流量一定時(shí)，若供線速度為30 m/min，硅片的TTV數(shù)值較為理想；供線速度一定時(shí)，硅片的TTV隨流量的增大而減小。為獲得較好的TTV，確定供線速度為30 m/min，砂漿流量為25～30 LPM。L/min

表2　測(cè)試結(jié)果

2.2.2多線切割工藝對(duì)切片Warp的影響

在實(shí)際切割過(guò)程中，隨著晶片直徑增大，碳化硅磨削路徑加長(zhǎng)，為確保金屬線攜帶砂漿的能力，需要較高的供線速度和耗線量［7］。因此在大直徑單晶切割過(guò)程中磨削發(fā)熱產(chǎn)生熱應(yīng)力，造成晶片的翹曲增大。本研究中開展了砂漿溫度對(duì)晶片翹曲度影響方面的工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，砂漿溫度過(guò)低或過(guò)高，均會(huì)使晶片表面各點(diǎn)的溫度差異變大而產(chǎn)生熱應(yīng)力，造成硅片的翹曲度增大。為獲得較好的Warp，確定砂漿的溫度為24℃～26℃。

圖1　砂漿溫度與硅片翹曲度的關(guān)系

若以固定速率進(jìn)行單晶切割，金屬線上某一固定點(diǎn)通過(guò)單晶端面的時(shí)間將按公式（1）變化，由于固定點(diǎn)通過(guò)端面的時(shí)間與單晶的半徑成正比，導(dǎo)致金屬線上各點(diǎn)所攜帶砂漿通過(guò)端面的時(shí)間不同，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)端面一致的切割效果而導(dǎo)致翹曲增大。

式中：

Vs為切割速度

Vd為供線速度

r為端面半徑

設(shè)計(jì)了圖2所示的變速切割曲線，利用該曲線對(duì)硅單晶進(jìn)行變速切割，從單晶的頭部、中部、尾部各取5片進(jìn)行翹曲度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。分析可知，變速切割使得頭部、中部、尾部的Warp變化不大且Warp數(shù)值較為理想。

在單晶的進(jìn)線端，固定點(diǎn)幾乎瞬時(shí)通過(guò)端面，砂漿對(duì)單晶的磨削力較大而造成進(jìn)線端塌邊，引起晶片的翹曲突變。因此在進(jìn)線端增加導(dǎo)向條，使金屬線上均勻攜帶砂漿，試驗(yàn)結(jié)果見表4所示。對(duì)比可知，使用導(dǎo)向條后晶片的TTV和Warp均有了明顯的降低，有利于幾何參數(shù)的控制。

圖2　變速切割曲線

表3　測(cè)試結(jié)果

表4　測(cè)試結(jié)果

3　結(jié)　論

采用本研究確定的多線切割工藝所得的硅切割片，經(jīng)脫膠清洗、多槽超聲清洗、晶片甩干、晶片檢驗(yàn)等過(guò)程后，利用本單位的雙面研磨機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證，硅切割片雙面研磨去除量不超過(guò)30 μm即可獲得表面質(zhì)量合格的硅研磨片。由此可見，多線切割工藝與研磨去除量直接相關(guān)，通過(guò)優(yōu)化多線切割工藝參數(shù)來(lái)減少研磨去除量是一種獲得硅研磨片經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的有效途徑。

［1］ 鄧志杰，鄭安生.半導(dǎo)體材料［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.19-20.

［2］ 鄧志杰，鄭安生.半導(dǎo)體材料［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.19-20.

［3］ 劉玉嶺，檀柏梅，張楷亮.超大規(guī)模集成電路襯底材料性能及加工測(cè)試技術(shù)工程［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2002.2-3.

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［5］ 周旗鋼.300 mm硅片技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2005，34（129）：1-6.

［6］ 侯賀，李金杰.線切割單、多晶硅機(jī)床砂漿液調(diào)配的研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2011，（9）：119-121.

［7］ 張立，于晉京，李耀東，等，切割速度對(duì)硅片翹曲的影響［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2011，36（5）：368-372.

The Effect of Multi-wire Cutting Process on the Grinding Removal

SU Pengfei，YANG Hongxing，HE Yuandong，MA Yutong
（The 46thResearch Institute of CETC，Tianjin，300220）

With the increase of the diameter of the silicon wafer，grinding removal has become a key index to evaluate the level of multi-wire cutting process，and it's conducive to reducing the unit cost of grinding process.The depth of the slice damage layer is a major factor in determining the amount of the whole section grinding removal，and the geometric parameters of slices are the main factors to determine the local grinding removal.In this paper，developing the control of the depth of the slice damage layer and geometric parameters in the cutting process，so as to reduce the grinding removal of wafer.

Silicon；Multi-wire cutting；Damage layer；Total thickness variation；Warp degree

TN305

A

1004-4507（2016）09-0015-04

蘇鵬飛（1988-），男，天津人，助理工程師，大專，從事半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料研究工作。

2016-08-07