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(dǎo)體器件的90%以上，半導(dǎo)體硅已成為生產(chǎn)規(guī)模最大、單晶直徑最大、生產(chǎn)工藝最完善的半導(dǎo)體材料，它是固態(tài)電子學(xué)及相關(guān)的信息技術(shù)的重要基礎(chǔ)。因此，可以說(shuō)IC 的發(fā)展離不開(kāi)晶體完整、高純度、高精度、高表面質(zhì)量的硅晶片。

硅片表面層質(zhì)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(shù)的飛速發(fā)展，為了提高IC 的集成度，要求硅片的刻線(xiàn)寬度越來(lái)越細(xì)。相應(yīng)地，對(duì)硅片表面層質(zhì)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(wú)任何的損傷。從硅單晶錠到單晶硅片需要一系列的機(jī)械和化學(xué)加工過(guò)程，如切、磨、拋等。在硅片切割、研磨、磨削等加工過(guò)程中會(huì)不可避免地在硅片表面產(chǎn)生微劃痕、微疵點(diǎn)、微裂紋、殘余應(yīng)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(xué)性質(zhì)的任何微小變化都會(huì)導(dǎo)致器件成為廢品，因此，硅片表面層損傷是評(píng)價(jià)硅片加工質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。研究和提高硅片加工工藝，從而獲得無(wú)損傷的硅片表面是大規(guī)模集成電路向更高一級(jí)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

隨著硅片尺寸的增大，超精密磨削技術(shù)得到了大力度的研究。其中，具有低損傷、高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)的硅片自旋轉(zhuǎn)磨削技術(shù)正逐步取代傳統(tǒng)的研磨技術(shù)，成為拋光硅片加工和圖形硅片背面減薄的主流加工技術(shù)。然而，自旋轉(zhuǎn)磨削加工會(huì)不可避免地給硅片表面層帶來(lái)?yè)p傷，該損傷會(huì)影響后續(xù)工序的加工時(shí)間，減小硅片磨削表面層損傷深度可以減少昂貴的后續(xù)化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工序的拋光時(shí)間，提高加工效率。

本文旨在研究硅片自旋轉(zhuǎn)磨削表面層損傷的特征、分布規(guī)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?yàn)樘岣吖杵ハ鞅砻鎸淤|(zhì)量，為減少后續(xù)拋光工序的拋光時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)代替研磨省去拋光前腐蝕過(guò)程提供指導(dǎo)。從而對(duì)最終實(shí)現(xiàn)硅片的高精度、高效率、無(wú)損傷、超光滑表面的加工有著重要的指導(dǎo)意義。

1 晶圓減薄機(jī)工藝過(guò)程和原理

1.1 晶圓減薄機(jī)工藝過(guò)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(jìn)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(shí)，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(jìn)給速度為0.5～10 mm/min。主要是消除粗磨時(shí)形成的損傷層，達(dá)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(jī)磨削原理

當(dāng)前主流晶圓減薄機(jī)的整體技術(shù)采用了In-feed 磨削原理設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)晶圓的延性域磨削，提高減薄質(zhì)量，通過(guò)減小砂輪軸向進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)微小磨削深度，因此，要求設(shè)備的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分辨率小于0.1 μm，進(jìn)給速度最小1 μm/min。另外，為了提高減薄工藝的效率，進(jìn)給系統(tǒng)在滿(mǎn)足低速進(jìn)給的前提下，要盡可能實(shí)現(xiàn)高速返回（見(jiàn)圖1）。

圖1 晶圓減薄原理示意圖

2 實(shí)驗(yàn)研究

研究磨削參數(shù)(砂輪粒度、砂輪轉(zhuǎn)速n1、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速n2和砂輪進(jìn)給速度f(wàn) 等) 對(duì)損傷深度的影響規(guī)律及降低硅片損傷深度有一定的指導(dǎo)意義。為了得到磨削參數(shù)對(duì)硅片表面損傷深度的影響規(guī)律，磨削實(shí)驗(yàn)用北京中電科JB-802 全自動(dòng)晶圓減薄機(jī)進(jìn)行（見(jiàn)圖2）。

圖2 JB-802 全自動(dòng)晶圓減薄機(jī)

2.1 工藝操作步驟

為了研究砂輪粒度、砂輪進(jìn)給速度、砂輪轉(zhuǎn)速、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速對(duì)硅片的表面損傷深度的影響規(guī)律，分別對(duì)它們進(jìn)行試驗(yàn)研究。取40 片200 mm(8 英寸)晶片，4 片1 組，分10 組，運(yùn)行自動(dòng)磨削過(guò)程。

2.2 砂輪粒度對(duì)損傷深度的影響

硅片磨削過(guò)程中通常先用粗砂輪進(jìn)行粗磨，用來(lái)快速去除材料并使硅片達(dá)到一定的表面平整度，然后用細(xì)砂輪精磨以獲得較好的表層質(zhì)量，盡可能減少后續(xù)拋光工序的拋光時(shí)間，降低成本。

為了分析砂輪粒度對(duì)損傷深度的影響，對(duì)#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(jìn)行檢測(cè)，損傷深度結(jié)果如表1 所示。

砂輪粒度與損傷深度的關(guān)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(guān)系

2.3 砂輪轉(zhuǎn)速、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速及砂輪進(jìn)給率對(duì)損傷深度的影響

由于#2000 砂輪磨削硅片的損傷檢測(cè)相對(duì)較容易且誤差小，在研究砂輪轉(zhuǎn)速、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速和砂輪進(jìn)給率對(duì)損傷深度的影響時(shí)都選用#2000 砂輪磨削硅片。首先對(duì)砂輪轉(zhuǎn)速、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速和砂輪進(jìn)給率對(duì)損傷深度的影響進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)分析，不同參數(shù)下加工硅片的損傷深度結(jié)果分別如表2～表4 所示。

表2 不同砂輪轉(zhuǎn)速下硅片的損傷深度

表3 不同工作臺(tái)轉(zhuǎn)速下硅片的損傷深度

表4 不同砂輪進(jìn)給率下硅片的損傷深度

僅改變砂輪進(jìn)給率的大小，其它磨削參數(shù)均不變，損傷深度值如表4 所示。當(dāng)其它磨削參數(shù)不變時(shí)，硅片的損傷深度隨著砂輪進(jìn)給率的增大而增大，且損傷深度值增大的很快。因?yàn)樯拜嗊M(jìn)給率增大而轉(zhuǎn)速不變時(shí)，砂輪磨削深度增大，從而對(duì)硅片表面的切削力和擠壓力也增大，單位時(shí)間內(nèi)去除的材料增多，材料脆性斷裂的趨勢(shì)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(jìn)給率，不過(guò)這樣會(huì)降低材料去除率，延長(zhǎng)了加工時(shí)間，增加成本，所以在選擇磨削參數(shù)時(shí)，要綜合考慮這兩方面的因素。

2.4 結(jié)果分析

為了研究砂輪粒度、砂輪進(jìn)給速度、砂輪轉(zhuǎn)速、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速對(duì)硅片表面損傷深度的影響規(guī)律，分別對(duì)它們進(jìn)行試驗(yàn)研究。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論：

（1）磨削參數(shù)對(duì)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(jìn)給速度、砂輪轉(zhuǎn)速和工作臺(tái)轉(zhuǎn)速。隨著砂輪粒度的減小，硅片的損傷深度減小。當(dāng)其它磨削參數(shù)不變時(shí)，硅片的損傷深度隨著砂輪進(jìn)給率的增大而增大，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨著工作臺(tái)轉(zhuǎn)速的增大而減小。

（2）為了減小硅片磨削后的損傷深度，應(yīng)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(nèi)減小砂輪進(jìn)給率、增大砂輪轉(zhuǎn)速和工作臺(tái)轉(zhuǎn)速。因此，在選定磨削參數(shù)時(shí)，要結(jié)合材料去除率、損傷深度、表面粗糙度等指標(biāo)的具體要求，參照磨削參數(shù)對(duì)損傷的影響規(guī)律，在合適的范圍內(nèi)選取適當(dāng)?shù)哪ハ鲄?shù)。

3 結(jié) 論

綜上所述，研究硅片磨削表面層損傷機(jī)理及磨削加工參數(shù)對(duì)硅片損傷深度的影響規(guī)律，可以為減小硅片損傷深度，提高硅片磨削加工表面層質(zhì)量，減少后續(xù)拋光時(shí)間，甚至為實(shí)現(xiàn)以磨代拋提供理論依據(jù)。

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