大尺寸硅片背面磨削技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
| 層，再下面為正常的單晶硅結(jié)構(gòu)。砂輪磨料的粒度對(duì)硅片亞表面損傷的程度影******，設(shè)備的精度、磨削用量對(duì)亞表面損傷也有重要影響。一般粗磨時(shí)材料是以脆性斷裂的模式去除，在硅片表面留下深度達(dá)20-30mm的損傷層和限大的殘余應(yīng)力。在精磨階段，材料是以延性域的模式去除的，能消除粗磨時(shí)形成的損傷層，精磨后的表面損傷明顯減小，其深度一般為15mm以下。此外，由于磨削時(shí)磨粒的出刃高度不一致，還會(huì)在硅片表面留下磨痕（grinding mark）。大量的數(shù)據(jù)分析表明，芯片在鍵合與測(cè)試時(shí)往往發(fā)生碎裂,碎裂的原因往往是由于在背面減薄時(shí)引起的損傷在后序的腐蝕或化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)沒(méi)有完全去除引起的。 （4）翹曲變形磨削會(huì)在硅片表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使背磨后的硅片發(fā)生翹曲，常常導(dǎo)致硅片碎裂。由于粗磨導(dǎo)致的殘余應(yīng)力較大，******翹曲一般發(fā)生在粗磨之后。通常需要采用濕法腐蝕、常壓等離子腐蝕、化學(xué)機(jī)械拋光等去除損傷層和殘余應(yīng)力，以減小硅片翹曲。 3.4 硅片背面磨削的關(guān)鍵技術(shù) 由于單晶硅是典型的硬脆材料，為實(shí)現(xiàn)大尺寸硅片的高效率、超精密和超薄化磨削，應(yīng)具備以下關(guān)鍵技術(shù)： （1）高精度、高剛度的主軸系統(tǒng)硅片磨床應(yīng)具有極高的靜、動(dòng)態(tài)剛性和優(yōu)良的熱平衡結(jié)構(gòu)，為此，砂輪主軸和工件轉(zhuǎn)臺(tái)主軸都采用高精度、高剛度、高速度的空氣軸承主軸，內(nèi)置式伺服電機(jī)。砂輪主軸和工件主軸的徑向跳動(dòng)小于O．02mm。 （2）高精度微進(jìn)給系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)硅片的延性域磨削，通過(guò)減小砂輪軸向進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)微小磨削深度，要求磨床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)具有很小的分辨率并能精確控制。目前，國(guó)外先進(jìn)的背面磨床的砂輪軸向進(jìn)給速度最小可達(dá)1mm／min。 （3）微細(xì)粒度的超硬磨料砂輪實(shí)現(xiàn)單晶硅等硬脆材料超精密磨削的關(guān)鍵技術(shù)之一是砂輪的性能。硅片背面磨削使用杯形金剛石砂輪，直徑一般為350mm-200mm，金剛石粒度在300#-4000#之間，砂輪的粒度嚴(yán)格控制，砂輪用特殊結(jié)合劑制作，有較長(zhǎng)的使用壽命。 （4）硅片精密定位夾持裝置為了能夠安全可靠地輸送和加工薄的硅片，一般先將硅片的正面用特殊的雙面膠帶粘結(jié)在一塊剛性支撐基板上，然后通過(guò)真空吸盤夾持在工件轉(zhuǎn)臺(tái)上。 4 硅片背面磨削技術(shù)的新進(jìn)展 由于硅片直徑和厚度以及芯片厚度的變化，硅片背面磨削技術(shù)面臨的主要問(wèn)題是： （1）提高硅片減薄的效率。原始硅片厚度的增大和芯片的超薄化使硅片背面減薄的材料去除量加大。背面磨削作為硅片背面減薄的主要工藝，要求具有很高的加工效率。 （2）減小表面和亞表面損傷。磨削引起的損傷和殘余應(yīng)力極大的降低了硅片的機(jī)械性能，增大了硅片碎裂的風(fēng)險(xiǎn)，為了減小損傷和殘余應(yīng)力，必須采用更微細(xì)粒度的砂輪和更小的磨削用量。 （3）減小或避免硅片翹曲。背面磨削后的硅片會(huì)產(chǎn)生很大的翹曲變形，而且硅片越薄翹曲變形越大。在后續(xù)的濕法腐蝕和CMP等去除殘余應(yīng)力工序中，翹曲硅片的運(yùn)送和處理非常困難，常常導(dǎo)致硅片碎裂。因此必須減小磨削殘余應(yīng)力，以減小硅片翹曲。 為了解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外不斷開(kāi)展硅片背面磨削技術(shù)研究，取得一些新的進(jìn)展，主要表現(xiàn)在： ◆a．開(kāi)發(fā)新型的超精密磨床 近年來(lái)，英國(guó)Cranfield大學(xué)研制的正四面體（Tetraform）新概念磨床具有很高的靜、動(dòng)態(tài)剛性和優(yōu)良的熱平衡結(jié)構(gòu)，可以在隔離環(huán)境振動(dòng)和溫度的條件下進(jìn)行高速超精密磨削。用于磨削單晶硅的表面粗糙度達(dá)到Ral-20nm，亞表面損傷深度只有傳統(tǒng)磨削的1-2％，甚至小于拋光加工產(chǎn)生的亞表面損傷深度。日本Super Silicon研究所和Disco公司提出了“三角柱型五面體構(gòu)造”的概念磨床，這種磨床結(jié)構(gòu)的剛度更高，穩(wěn)定性更好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同磨削深度條件下，加工效率是普通硅片磨床的4倍，磨削后硅片的平整度更好，表面損傷很小。 日本茨城大學(xué)的江田弘等人開(kāi)發(fā)了基于自旋轉(zhuǎn)磨削原理的集成磨削系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有兩個(gè)自由度（砂輪主軸軸向進(jìn)給、工件主軸徑向進(jìn)給），磨削采用空氣靜壓導(dǎo)軌和空氣主軸支承，砂輪主軸和工件主軸的徑向跳動(dòng)小于O．02mm，超精密定位機(jī)構(gòu)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)0．5mm／min的進(jìn)給率，超磁致伸縮微驅(qū)動(dòng)裝置調(diào)整砂輪軸與工件軸的夾角控制硅片面型精度，可以在一個(gè)工序中完成硅片的延性域磨削和類似拋光的磨削（polishing-like grinding），加工直徑300mm硅片可達(dá)到表面粗糙度Ra＜lnm，TTV＜0．2mm，表面損傷層減小到120m，能源消耗比傳統(tǒng)工藝降低70％。 ◆b．研究超細(xì)粒度金剛石砂輪及其應(yīng)用技術(shù) 日本的H．Ohmori等人將在線電解修整（ELID）技術(shù)應(yīng)用于硅片自旋轉(zhuǎn)磨削工藝，采用粒度為#10，000-#3,000,000的鑄鐵纖維結(jié)合劑微粉金剛石砂輪，仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的磨削。用#3,000,000（平均粒徑8nm）的砂輪磨削硅片，獲得了RMS≤0．47nm的表面，與化學(xué)機(jī)械拋光獲得的表面非常接近?！ ?BR> ◆c．采用先劃片后減薄工藝 背面磨削后硅片的翹曲變形會(huì)給硅片在后序的輸送和夾持定位帶來(lái)困難，在劃片時(shí)易發(fā)生碎裂。Disco公司開(kāi)發(fā)了DBG（Dicing Be□fore Grinding）技術(shù)，即在背面磨削之前將硅片的正面切割出一定深度的切口，然后再進(jìn)行背面磨削，此工藝避免了硅片的翹曲變形，減小了運(yùn)送大尺寸超薄硅片的碎片風(fēng)險(xiǎn)。采用DBG技術(shù)，300mm尺寸的硅片可以減薄到50um；近來(lái)，又出現(xiàn)了DbyT（Dicing-by Thinning）概念，與DBG技術(shù)相似，在減薄之前先用機(jī)械的或化學(xué)的方式切割出切口，不同之處是用磨削方法減薄到一定厚度以后，采用ADP磨蝕技術(shù)去除掉其余的加工余量，實(shí)現(xiàn)裸芯片的自動(dòng)分離。 ◆d．實(shí)現(xiàn)背面減薄工藝集成 為減少硅片的搬運(yùn)和夾持次數(shù)，以提高加工效率和降低碎片率，先進(jìn)的硅片背面磨床采用多主軸轉(zhuǎn)位工作臺(tái)結(jié)構(gòu)，在同一機(jī)臺(tái)上裝夾一次硅片即可實(shí)現(xiàn)粗磨和精磨；超精密進(jìn)給機(jī)構(gòu)和定位機(jī)構(gòu)以控制微小磨削深度；為保證硅片的平整度，具有主軸角度自動(dòng)調(diào)整裝置；為有效控制硅片厚度，裝有在線厚度測(cè)量裝置；此外還配有干進(jìn)干出，（Dry-in Dry-out）的清洗和烘干系統(tǒng)以及自動(dòng)裝卸硅片的機(jī)械手等。 近幾年日本一些公司還開(kāi)發(fā)了集硅片背面磨削與CMP或干式拋光為一體的磨拋機(jī)床。東京精密公司生產(chǎn)的PG300／PG200系列磨床硅片在同一機(jī)臺(tái)上只需裝夾一次便可實(shí)現(xiàn)粗磨、精磨和拋光，這到迅速減薄和去除損傷層和殘余應(yīng)力的目的。 |
