磨削工藝對晶片表面粗糙度的影響

張文斌，王仲康

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

磨削工藝對晶片表面粗糙度的影響

張文斌，王仲康

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

磨削工藝直接影響著磨削后晶片的參數，在這些參數中，表面粗糙度是鑒別晶片幾何參數好壞的重要指標之一。分析了磨削工藝中砂輪粒度、砂輪進給速度對表面粗糙度的影響。

晶圓減?。荒ハ?；表面粗糙度

集成電路(integrate circuit，IC)是電子信息產業的核心，是推動國民經濟和社會信息化發展最主要的高新技術之一。IC的制造離不開高精度、高表面質量的硅片，全球90%以上的IC都要采用硅片。隨著半導體晶圓直徑的增大和芯片厚度的超薄化，對晶圓表面加工質量和加工效率提出了更高的要求，需要研究和開發更先進的硅片超精密加工技術與設備。而大直徑(≥300mm)硅片的先進加工技術和設備的引進要受到發達國家限制。因此，我們必須依靠自己的力量研究具有自主知識產權的大直徑硅片的超精密加工技術與設備。隨著硅片尺寸的增大，對超薄晶圓面型精度的要求也不斷提高。例如，JB-802型全自動晶圓減薄機采用2000#砂輪可以將φ200 mm晶圓磨削到70μm，表面粗糙度（Ra）小于0.02μm；BGP300全自動晶圓減薄拋光一體機可以將φ300 mm晶圓磨削拋光到50μm，表面粗糙度（Ra）小于0.005μm。晶片表面粗糙度（Ra）是晶圓減薄拋光機的一項重要指標，直接影響后續的各項封裝工藝和芯片的最終質量。因此，通過不斷完善磨削工藝參數，如砂輪粒度、主軸進給速度等，最終達到降低磨削后晶圓的表面粗糙度。如圖1所示。

圖1 超光滑晶圓示意圖

1 硅片表面粗糙度的定義及評定參數

1.1 硅片表面粗糙度的定義

硅片表面粗糙度是指硅片表面具有的較小間距和微小峰谷不平度。它屬于微觀幾何形狀誤差，表面粗糙度越小，則表面越光滑；反之，則表面越粗糙。

1.2 表面粗糙度的評定參數

粗糙度輪廓的算術平均偏差Ra在一個取樣長度內縱坐標Z(x)值絕對值的算術平均值。其計算公式為：

式中：Z(x)是取樣長度內硅片基體表面結構的輪廓曲線函數。

其中取樣長度Lr，用于判定被評定粗糙度輪廓不規則特性的X軸向上的長度。

2 晶圓減薄機工藝過程和原理

2.1 晶圓減薄機工藝過程

硅片背面磨削一般分為兩步：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。

2.2 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，使設備的進給運動分辨率小于0.1μm，進給速度最小1μm/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2）。

圖2 In-feed磨削原理示意圖

3 實驗研究

3.1 實驗設計

準備9片φ200 mm(8英寸)晶片，進行減薄試驗，記錄減薄時的各項工藝參數及最終所磨削晶片的表面粗糙度值，對這些參數進行比較，最終得到砂輪粒度、砂輪進給速度和表面粗糙度之間的關系，方案設計見表1和表2，磨削實驗用JB-802晶圓減薄機。

3.2 工藝操作步驟

針對方案一：取4片晶圓片，更換砂輪型號，依次為#325、#600、#2000和#3000，其它磨削參數不變。

表1 方案一：磨削主要技術參數

表2 方案二：磨削主要技術參數

針對方案二：取5片晶圓片，設置砂輪進給速度，依次為10μm/min、30μm/min、50μm/min、70μm/min和90μm/min，其它磨削參數不變。

3.3 測量設備及方法

通過Xi-100輪廓儀，讀取5個點晶圓片表面粗糙度數據，測量方法如圖3所示。

圖3 晶圓表面粗糙度檢測位置示意圖

3.4 實驗結果

通過Xi-100輪廓儀，讀取5個點晶圓片表面粗糙度數據，選擇5個點表面粗糙度最大值，數據如表3所示。砂輪粒度與表面粗糙度關系見圖4所示，砂輪進給速度與表面粗糙度關系見圖5所示。

我們取4號片，通過輪廓儀Xi-100系統測量，表面粗糙度Ra為4.141 nm，表面峰谷St為36.52 nm，見圖6所示。

表3 晶圓片表面粗糙度值

圖4 砂輪粒度與表面粗糙度的關系

圖5 砂輪進給速度與表面粗糙度的關系

3.5 結果分析

為了研究砂輪進給率、砂輪轉速、工作臺轉速對硅片表面粗糙度的影響規律，分別對它們進行試驗研究。

圖6 晶圓表面輪廓圖

通過實驗得出如下結果：

（1）當其它磨削參數不變時，隨著磨輪磨粒尺寸的減小，晶圓表面粗糙度減小，而且同一粒度砂輪磨削硅片的表面粗糙度常常在一個范圍之內。因此，為了降低硅片的表面粗糙度，就要在一定范圍內減小砂輪磨粒尺寸，不過這樣會降低材料去除率，延長了加工時間，增加成本。

（2）當其它磨削參數不變時，硅片的表面粗糙度值隨著砂輪進給率的增大而增大，且表面粗糙度值增大的很快。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，損傷深度也增大。因此，為了降低硅片的表面粗糙度值，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。

4 結論

綜上所述，砂輪粒度、砂輪進給率對硅片表面粗糙度的影響巨大。因此，在晶圓磨削過程中，對砂輪粒度、砂輪進給率等工藝參數的合理設置，有助于降低晶圓的表面粗糙度值，從而提高磨削后晶圓的表面質量。

[1] 田業冰，郭東明，康仁科，等.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] 王仲康.超薄化芯片[J].電子工業專用設備.2006，23 (128)：13～18.

Effect of Grinding Process on The Wafer Surface Roughness

ZHANG Wenbin，WANG Zhongkang

(CETC Beijing Electronic Equipment Co.，LTD，Beijing 100176)

The grinding process directly affects the surface quality of silicon wafer quality parameters，among these parameters，surface roughness is one of the important index in differential geometry parameters of the silicon wafer quality.Effect of grinding wheel type，the wheel infeed rate grinding process on the wafer surface roughness are analyzed.

Wafer Thinning;Grinding;Surface Roughness

TN305.2

B

1004-4507(2015)03-0032-04

張文斌（1982-），男，內蒙古呼和浩特人，工學碩士，畢業于大連理工大學，機械工程師，現就職于中國電子科技集團公司第四十五研究所，主要從事半導體設備的機械設計工作。

2014-12-24