(中国电科第四十六所 天津市 300220)
摘要：磨削工艺直接影响着磨削后晶片的表面质量、几何参数等指标，本文分析了磨削工艺中砂轮粒径、砂轮进给率、砂轮转速及工作台转速对硅片表面层损伤深度的影响，通过抛光后硅片的氧化层错分析，优化了磨削技术。
关键词：磨削；表面层损伤深度；表面质量
前言
随着磨削技术的改善，人们使用超精密磨削工艺代替传统的研磨与腐蚀工艺。硅片表面层损伤是评价硅片加工质量的一个重要指标。本文旨在研究硅片自旋转磨削表面层损伤的特征，提出减小硅片表面层损伤深度的工艺措施，为减少后续抛光时间，代替腐蚀过程提供指导。
1晶圆减薄机磨削原理
磨削设备通常釆用硅片自旋转方式进行磨削，磨削过程中硅片与砂轮绕各自轴线旋转，通过控制砂轮轴向进给速率实现硅片磨削。一般分为粗磨和精磨两个阶段。粗磨为了达到快速去除材料、降低加工时间的目的，一般选用的砂轮磨粒粒径较大，且砂轮的轴向进给速度也较大，磨削深度一般在2mm以内。精磨主要是为了去除粗磨过程残留的表面损伤层，以延性去除模式为主，磨削深度在几微米至几十微米。
2实验
采用全自动晶圆减薄机进行,选用直径150mm（6英寸）、P型<100>硅片，分别通过对砂轮粒度、砂轮进给速度、砂轮转速、真空吸盘转速等参数的调整，来进行硅片表面损伤深度的研究。磨削后的晶片进行双面抛光，确定其表面氧化层错情况，探究磨削深度对表面质量的影响。硅片的表面层损伤深度通过角度抛光的方法观察。在该方法中，将硅片的边缘通过抛光获得一个斜面，这个斜面类似一个放大镜，将损伤层更大限度的显现出来。然后在金相显微镜下对该斜面进行观察，从而获得斜面上硅片的损伤层长度，通过简单的数学计算，获得实际硅片表面层损伤深度。
3结果与分析
3.1砂轮粒径对损伤深度的影响
通过600#、2000#、4000#砂轮进行磨削，5片一组，分10组，进行自动磨削过程，磨削粒径与损伤深度的关系如表1
由表1可见，使用4000#较小粒径的砂轮进行磨削加工，硅片表面层损伤深度较小，随着砂轮粒径的逐渐增大，硅片损伤层深度增大。当使用600#磨削砂轮磨削时，由于粒径较大，磨粒切削深度增大，造成磨削时硅片的表面材料去除模式中脆性去除的比例增加，硅片表面出现大量的破碎坑，使得片的表面质量变差，硅片的表面层损伤深度增加。磨削加工后表面形貌如图1所示。
(a) 600_轮 （b) 2000_轮 （c) 4000#砂轮
图1 不同粒径砂轮磨削后硅片
3.2砂轮进给率、砂轮转速及工作台转速对损伤深度的影响
考虑到实际生产中磨削生产效率的问题，以及损伤检测难易程度问题，现选用2000#砂轮磨削硅片。采用单因素实验分析，分别对砂轮进给速度、砂轮转速、工作台转速等参数进行调整，不同参数加工硅片的损伤深度结果如图2～4所示。
图2 图3 图4
图2可以看出，硅片的表面损伤深度与轴向进给速度呈现正相关关系。增大砂轮轴向进给速度，使得砂轮对于硅片表面的切削力和挤压力变大，材料的去除速率增大，磨粒的实际切削深度也会增加，故而造成磨削过程中材料脆性去除的比例急剧增加，硅片表面质量变差。因此，在磨削过程中，若想获得较好的硅片表面质量，应当选用较小的砂轮轴向进给速度。但减小砂轮轴向进给速率，会降低硅片磨削速率，影响加工效率。综合考虑硅片表面质量和加工效率，选定砂轮轴向进给速度为5-18μm/min。
图3可以看出，硅片的表面损伤深度与砂轮转速呈现负相关关系。这是因为在磨削加工过程中，增大砂轮转速，造成单位时间内参与磨削的磨粒数量增加，而在相同的砂轮轴向进给速度下，材料去除速率相同。因此在这种情况下，每个磨粒的实际切削深度变小，从而使得硅片表面质量，尤其是硅片表面层损伤深度得到很大的改善。
图4可以看出，硅片表面层损伤深度随硅片转速的增加呈现一定的增加，但变化幅度不大。磨削加工过程中, 工作台和砂轮的旋转方向是相同的，因此增大工作台转速，造成磨粒与硅片的相对速度减小，单位时间内参加磨削的磨粒数量减少，磨粒的磨削深度增大，硅片表面层损伤增大。在实际加工过程中，选定工作台转速为100-200r/min。
3.3磨削深度对抛光表面质量的影响
将600#、2000#、4000#砂轮进行磨削后的硅片进行双面抛光，拋光去除量为20μm，然后经过110℃(TC湿氧氧化2 个小时，以放大硅片中的缺陷，最后用Cr03+HF (体积比为1:2)择优腐蚀液腐蚀显示。
使用金相显微镜对腐蚀后的硅片进行观察，确定其表面氧化层错情况。
(a) 600#轮 （b) 2000#轮 （c)4000#轮
图5 不同粒径砂轮磨削后硅片氧化层错情况（100倍)
图5可以看出，使用600#砂轮磨削加工后，硅片表面粗糙，氧化层错情况仍然显著。这是因为大粒径砂轮磨削后硅片表面层损伤深度较大，经过抛光去除20μm后，表面层损伤没有完全去除。而4000#砂轮磨削后的硅片表面氧化层错要有明显改善，可见经过抛光去除20μm后，硅片的表面损伤层已经完全去除，满足后面工序对硅片表面质量的要求，但磨削加工效率很低。因此在磨削加工过程中，可选用600#砂轮作为粗磨工序加工砂轮，通过其较强的切削能力，去除大部分的加工余量，以获得较快的加工效率。在精磨过程中，选用2000#砂轮进行加工，从而可以有效去除粗磨阶段残留的表面损伤层，获得较好的表面状态，以满足后续工序的要求。
4实验总结
本章通过试验分别研究了砂轮粒径、砂轮轴向进给速度、砂轮转速及真空吸盘转速对硅片表面层损伤深度的影响，并通过氧化层错观察，根据磨削的基本原理对结果进行了分析与讨论：
（1）减薄会在硅片表面引入机械损伤，损伤层厚度和研磨减薄砂轮粒度有关，釆用小的磨粒粒径砂轮进行磨削，可以获得好的硅片表面质量，即拥有浅的表面损伤层，但小的磨粒粒径砂轮会降低磨削去除速率，影响生产效率的提升。
（2）砂轮轴向进给速度和砂轮转速对硅片的表面质量影响显著，但工作台转速即硅片转速对硅片的表面质量影响并不明显。因此，在选定磨削参数时，要结合材料去除率、损伤深度等指标的具体要求，在合适的范围内选取适当的磨削参数。
（3）通过硅片表面氧化层错观察，砂轮粒径越小，越能够去除硅片表面层损伤，但加工效率会受到影响，因此可选取粗磨与精磨结合减薄的方法，粗磨阶段选用600#砂轮，精磨阶段选用2000#砂轮，来改善硅片表面形貌，降低硅片表面损伤层度。
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论文作者:宋晶,李春龙,常耀辉,刘洋
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/14
标签：硅片论文; 磨削论文; 砂轮论文; 表面论文; 损伤论文; 深度论文; 转速论文; 《电力设备》2017年第29期论文;