單晶硅磨削加工后的表面損傷研究

劉 洋

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津300000)

隨著便攜式電子產品的飛速發展，在硅片趨向大直徑化的同時，對芯片的厚度也要求越來越薄，并且需要對單晶半導體硅片的背面進行減薄加工。集成電路（IC）是現代信息產業和信息社會的基礎。作為IC 發展的基礎和半導體芯片的理想襯底材料，硅片的表面質量直接影響著IC 器件的性能、成品率以及壽命。隨著硅片直徑的增大和器件尺寸的減小，對硅片表面加工質量的要求日益增高，不僅要求極高的平面度，極小的粗糙度，而且要求表面無變質層、無劃傷。目前，固結磨料的超精密磨削技術是加工大尺寸硅片的主要方法，但傳統的磨削技術會對硅片表面帶來一定程度的損傷，進而影響后道化學腐蝕及化學機械拋光（CMP）工藝的加工時間及成品率。對硅片磨削表面狀態的研究，有助于最終實現硅片的高效率、高精度、無損傷的光滑表面加工有著重要意義。本文針對目前存在的問題，對硅片磨削表面進行較深入研究，以解決部分現存問題。

1 單晶硅片的加工流程

對于單晶硅片，傳統的加工技術流程為：單晶生長 磨外圓及平邊（Flat/Notch）切片 倒圓角研磨 腐蝕 清洗 拋光。由于采用內圓金剛石鋸片切割的硅片會產生較大的翹曲變形，硅片表面還會殘留切痕和微裂紋。在大直徑硅片的研磨過程中，為了得倒穩定的，低粗糙度及低損傷的表面，一般應用超精密磨削來代替傳統研磨和腐蝕。

2 單晶硅片表面產生的不同損傷

2.1 單晶硅片損傷層形成原因

單晶硅片切割、研磨、磨削、拋光等超精密加工過程中，在刀具（磨料）的機械作用下，硅片表面將產生非晶化、多晶化、微裂紋、塑性變形等，表面層結構相對于基體材料發生明顯變化，基體材料明顯不同，一般將發生結構變化的表面層稱為損傷層或變質層。硅片切割、研磨、磨削過程中會不可避免的給硅片表面帶來損傷層，該損傷層會影響下一道工序的加工時間，成品率等。為了提高生產效率，要盡量減小各工序所產生的表面損傷。硅片表面任何損傷都會導致最后得到的器件失效，為了提高IC 的成品率，就需要最后拋光后得到的是無損的，光滑的表面。

2.2 硅片加工表面層損傷形式

硅片加工表面層損傷分為表面損傷和亞表面損傷。表面損傷有劃痕、微裂紋、破碎、橘皮和凹坑等。亞表面損傷有非晶層、多晶層、微裂紋、位錯、層錯、彈性畸變和殘余應力等。

2.3 相變引起的損傷

相變，是指相的數目或相的性質變化。由于溫度、壓力各種物理參數的改變而引起的結構狀態的變化稱為結構相變。自從Jamieson 發現單晶硅的高壓相變現象以后，有關單晶硅的高壓相變的研究越來越多。非晶層和多晶層的存在說明硅片表面發生了相變。

2.3.1 磨削實驗

硅片的磨削加工以DAG810 型磨床為實驗平臺，砂輪和工作臺同時轉動，砂輪主軸有一個軸向進給，如圖1所示。實驗選用直徑為100 mm 的直拉（CZ）法生長的〈100〉單晶硅片，該硅片是經過腐蝕的研磨硅片，表面無損傷。

圖1 磨削機工作原理

硅片的超精密磨削工藝通常分為粗磨（600號砂輪）、半精磨（1000 號砂輪）和精磨（2000 號砂輪），粗磨用來快速去除大部分加工余量并使硅片達到一定的表面平整度，然后通過半精磨來去除部分加工余量并減少硅片表面層損傷深度，最后用精磨來去除剩余加工余量和半精磨后的表面損傷，保證磨削后硅片的亞表面損傷深度較小，從而減小后續拋光工序的拋光時間。實驗采用的砂輪為DAG 公司生產的樹脂結合型金剛石砂輪。粗磨、半精磨和精磨時硅片的去除厚度分別為200，100 和50 微米，磨削時采用去離子水進行冷卻。實驗參數如表1。

表1 不同型號砂輪的磨削參數

2.3.2 不同型號砂輪磨削后的光譜掃描

由于硅片磨削表面各點的狀態并不完全一致，所以測量某一點的相變不具有代表性。考慮到硅片磨削表面磨紋有一定的分布規律，所以采用顯微Raman 光譜儀對粗磨、半精磨和精磨硅片表面沿垂直于磨紋的方向進行線掃描。

（1）粗磨磨削的掃描光譜

從圖2可以看出粗磨硅片表面上各點的拉曼光譜區別不大。

（2）半精磨硅片的掃描光譜

圖2 粗磨硅片表面的拉曼光譜

半精磨硅片表面各點拉曼光譜區別較大，如圖3，光譜中存在多個Si 相的特征峰。多出來的Si 相的存在，表明相變強度很大，硅片表面有較高的局部壓應力。而Si-IV 相則表示該位置出現Si的六方金剛石結構。

圖3 半精磨硅片表面的拉曼光譜

（3）精磨硅片的表面掃描光譜

精磨硅片表面上各點的拉曼光譜比較一致，如圖4。經2000 號砂輪磨削的硅片表面雖然也存在多個Si 相，但相變強度較小。精磨硅片的相變強度比半精磨硅片的相變強度小很多。

圖4 精磨硅片表面的拉曼光譜

2.3.3 結論

磨削條件不同，硅片表層的相變強度不同，半精磨和精磨硅片表面層發生了相變。在加載時單晶硅首先發生由非晶相變而產生的塑性屈服，進而再發生由硅原子晶格變形而引起的形變。加載過程中，局部應力不同會轉變為不同的相。卸載時部分相是不可逆的，另一部分是可逆的會變回Si-I 相，如圖5所示。

圖5 硅片半精磨和精磨過程中單晶硅的相變

總之，磨粒尺寸和形狀不同，磨削壓力和磨削深度也有所不同，從而導致材料的去除機理不同。壓力致使單晶硅由脆性性質（容易發生斷裂）轉變為塑性性質，有利于改善單晶硅的切削加工性能。隨著磨粒尺寸減小，單晶硅磨削時的去除方式由脆性斷裂向著塑性斷裂方式改變。

2.4 由塑性形變引起的損傷

磨削加工是通過磨料對被加工材料有限度的損傷而實現的，材料的去除是通過塑性變形微觀裂紋的形成與擴展來實現的。由于單晶硅材料的高脆性，表面層會有微裂紋存在。在表面應力的作用下，微裂紋會對材料的強度產生很大的影響，進而使得硅片斷裂。所以在實際生產中要盡量避免微裂紋的產生。生產中應通過調整磨削去除量、磨削主軸轉速（砂輪轉速）及砂輪進行及時調整，以避免產生過大的磨削應力，確保冷卻水的供應從而減小熱應力，從而使得硅片在磨削時表面盡可能少的產生微裂紋。

2.5 由殘余應力引起的損傷

單晶硅片經機械加工后常常會處于明顯且復雜的殘余應力狀態，這些殘余應力對硅片的疲勞性能、腐蝕性能、脆性及尺寸穩定性等有很大的影響。隨著硅片的直徑增大，硅片中硅片中的殘余應力會對所生產的IC 器件的各項性能產生極大的沖擊。單晶硅片的磨削所產生的殘余應力對磨削微裂紋的產生無直接影響，但會影響微裂紋的生長及放大。從而降低硅片的使用性能，所以說硅片中的殘余應力會影響IC 的性能和可靠性。因此在硅片磨削的過程中，應保證硅片受力均勻，磨削時盡量保證溫度恒定。

3 總 結

硅片的磨削技術已經廣泛應用于硅片的加工，了解硅片磨削表面產生各種不同損傷的原理更有助于在生產過程中提高硅片磨削表面層質量，減少后續拋光時間，提高硅片成品率及質量。

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