大尺寸硅片磨削平整化理論與工藝技術(shù)的研究.pdf

1、隨著集成電路(IC)制造技術(shù)的飛速發(fā)展，為了提高IC集成度，IC的特征線寬不斷減??；另一方面，為了增大IC芯片產(chǎn)量，降低單元制造成本，硅片趨向大直徑化。隨著硅片直徑增大，為了保證硅片具有足夠的強(qiáng)度，硅片的厚度也相應(yīng)增加；與此相反，為滿足先進(jìn)IC芯片封裝技術(shù)需要，芯片的厚度越來越薄。這些變化使硅片平整化加工面臨許多突出的技術(shù)問題：IC特征線寬減小，對(duì)硅片加工精度和表面質(zhì)量提出很高的要求；硅片直徑增大后，加工中容易翹曲變形，加工面型精度不易

2、保證；硅片厚度增大以及芯片厚度減小，使硅片背面減薄加工的材料去除量增大，提高加工效率成為一個(gè)亟待解決的問題。因此，采用固結(jié)磨料砂輪的超精密磨削技術(shù)正在取代傳統(tǒng)的研磨技術(shù)成為硅片超精密平整化加工技術(shù)的主流發(fā)展方向，其中最有代表性的硅片自旋轉(zhuǎn)磨削方法被認(rèn)為是大尺寸硅片磨削平整化加工的理想方法。盡管，硅片自旋轉(zhuǎn)磨削技術(shù)已在大直徑硅片的制備、有電路硅片的背面減薄以及廢舊硅片的回收加工中得到應(yīng)用，但是，如何進(jìn)一步提高硅片加工表面層質(zhì)量、面型精度和

3、加工效率仍然是目前急需解決的主要問題。所以，必須針對(duì)這些問題深入系統(tǒng)地研究硅片自旋轉(zhuǎn)磨削平整化理論和關(guān)鍵工藝技術(shù)。 本文建立了硅片自旋轉(zhuǎn)磨削的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論模型，并通過分析砂輪與硅片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，給出了硅片自旋轉(zhuǎn)磨削的運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)方程；通過引入節(jié)點(diǎn)和節(jié)圓等概念，并在運(yùn)動(dòng)幾何學(xué)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了磨紋長度、數(shù)量以及磨削穩(wěn)定周期公式；分析了磨紋間距、密度與磨削表面質(zhì)量的關(guān)系；在 Windows2000/XP 平臺(tái)上，開發(fā)了硅片自旋轉(zhuǎn)磨削的磨

4、削紋理仿真軟件，對(duì)幾種典型速比下的硅片磨削紋理及其對(duì)表面質(zhì)量的影響進(jìn)行了預(yù)測和理論分析，并通過硅片磨削實(shí)驗(yàn)，對(duì)仿真和理論分析結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；通過理論和試驗(yàn)研究，從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度，提出提高磨削表面質(zhì)量的工藝措施。 綜合考慮硅片自旋轉(zhuǎn)磨削時(shí)硅片夾持系統(tǒng)中真空吸盤修整參數(shù)以及硅片磨削參數(shù)等多種因素，建立了硅片面型的理論模型；在此模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了硅片磨削面型的方程以及表征硅片面型精度的重要指標(biāo)一硅片總厚度變化(Total Thick

5、ness Variation，TTV)的計(jì)算公式；應(yīng)用VC++6.0 編程技術(shù)和OpenGL三維圖形庫開發(fā)了磨削面型仿真軟件，對(duì)真空吸盤修整面型以及硅片磨削面型進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真和預(yù)測，分析了真空吸盤修整面型、砂輪轉(zhuǎn)速、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速、砂輪軸向進(jìn)給速率、磨床砂輪主軸擺動(dòng)角和偏擺角等因素對(duì)硅片磨削面型的影響規(guī)律，并以VG401型超精密磨床為試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)硅片磨削面型的仿真預(yù)測結(jié)果和理論分析結(jié)果進(jìn)行了磨削試驗(yàn)驗(yàn)證。 提出了利用軟磨料砂輪低損傷

6、磨削加工硅片的新方法；研制出了通過釋放填充料提供良好加工環(huán)境的高自銳性的＃3000二氧化鈰軟磨料砂輪，并設(shè)計(jì)了用于硅片自旋轉(zhuǎn)磨削的可拆卸互換式砂輪結(jié)構(gòu)；研究了軟磨料砂輪的低成本制備方法和修整方法，開發(fā)了砂輪的修整工具。進(jìn)行軟磨料砂輪的干式和濕式磨削試驗(yàn)，應(yīng)用 XPS 檢測磨削后硅片表面的成份，分析砂輪磨料和填充料與硅片之間的化學(xué)反應(yīng)，揭示了軟磨料砂輪磨削硅片時(shí)利用化學(xué)機(jī)械復(fù)合作用的材料去除機(jī)理。進(jìn)行了軟磨料砂輪磨削性能試驗(yàn)，利用AFM、

7、SEM、TEM 等儀器檢測表面粗糙度、表面形貌、表面缺陷和表面層損傷，試驗(yàn)表明，軟磨料砂輪磨削不僅能夠保證硅片加工精度，加工成本低，而且磨削后的硅片表面經(jīng)檢測未發(fā)現(xiàn)劃痕，硅片亞表面未發(fā)現(xiàn)微裂紋和位錯(cuò)。以兼顧加工效率和表面質(zhì)量為目標(biāo)，提出了采用＃325和＃2000金剛石砂輪以及＃3000軟磨料砂輪，利用硅片自旋轉(zhuǎn)磨床，分別進(jìn)行粗磨、精磨和低損傷磨削的硅片超精密平整化加工工藝方案。針對(duì)粗磨、精磨和低損傷磨削加工，選擇砂輪轉(zhuǎn)速、硅片轉(zhuǎn)速、砂輪