硅片超精密磨削減薄工藝基礎(chǔ)研究.pdf

1、電子產(chǎn)品對(duì)高性能、多功能、小型化和低成本的需求推動(dòng)了集成電路(IC)制造技術(shù)的高速發(fā)展，特別是便攜式電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展對(duì)IC封裝技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求，其中，疊層三維立體封裝技術(shù)由于其空間占用小，電性能穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)成為未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)。在封裝整體厚度不變甚至減小的趨勢(shì)下，要增加堆疊層數(shù)，必須對(duì)各層硅片進(jìn)行背面減薄，且要求減薄硅片具有高面型精度、無(wú)表面/亞表面損傷。目前，采用金剛石砂輪的超精密磨削技術(shù)在硅片的背面減薄加工中得到廣

2、泛應(yīng)用，但是，隨著硅片尺寸和原始厚度的增大以及減薄厚度的減小，超精密磨削減薄技術(shù)面臨著表面層損傷、彎曲/翹曲變形、加工效率等問(wèn)題。因此，面向IC封裝技術(shù)對(duì)超薄硅片的需求，以提高硅片表面層質(zhì)量、面型精度和減薄效率為目的，本文深入研究了金剛石砂輪磨削減薄硅片的亞表面損傷特性、變形機(jī)理和崩邊規(guī)律以及采用軟磨料砂輪的機(jī)械化學(xué)磨削技術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)硅片的高效率、低損傷、超薄化磨削加工具有重要的指導(dǎo)意義。論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)

3、建立了硅片旋轉(zhuǎn)磨削的磨粒切削深度數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出磨粒切削深度與磨削參數(shù)、砂輪尺寸及硅片表面徑向位置的數(shù)學(xué)關(guān)系，指出磨粒切削深度隨著砂輪粒徑、砂輪進(jìn)給速度、硅片轉(zhuǎn)速和硅片表面徑向距離的增大而增大，隨著砂輪周長(zhǎng)、砂輪齒寬和砂輪轉(zhuǎn)速的增大而減小。采用角度截面顯微觀測(cè)法研究了金剛石砂輪磨削硅片的亞表面損傷深度沿硅片徑向和周向的分布及光磨對(duì)磨削硅片亞表面損傷分布的影響，在此基礎(chǔ)上，研究了磨削參數(shù)對(duì)亞表面損傷深度的影響，并基于建立的磨粒切削深度數(shù)學(xué)

4、模型分析了相應(yīng)規(guī)律的產(chǎn)生原因。研究表明，無(wú)光磨條件下磨削硅片的亞表面損傷深度沿周向在<110>晶向處大于<100>晶向，沿徑向從中心到邊緣逐漸增大;光磨條件下磨削硅片的亞表面損傷深度沿整個(gè)硅片表面幾乎是均勻的，且光磨后的硅片亞表面損傷深度小于無(wú)光磨條件下磨削硅片;隨著砂輪粒度的減小、轉(zhuǎn)速的增大及進(jìn)給速度的減小，亞表面深度明顯地減小，但硅片轉(zhuǎn)速對(duì)亞表面損傷深度的影響較小。
　　(2)基于Ansys有限元軟件研究了金剛石砂輪磨削減薄硅

5、片過(guò)程中砂輪、真空吸盤(pán)與硅片間的作用力情況，揭示了硅片磨削減薄后發(fā)生變形的機(jī)理。基于圓形薄板彎曲變形理論建立了彈性小變形范圍下的硅片超精密磨削減薄變形的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出硅片磨削減薄的變形量與亞表面損傷層深度、表面層加工應(yīng)力、減薄厚度及單晶硅自身力學(xué)特性之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明，隨著硅片亞表面損傷深度的增大、減薄厚度的減小及表面層加工應(yīng)力的增大，磨削減薄硅片的變形相應(yīng)的增大，硅片變形的理論值與實(shí)測(cè)值基本相同

6、。
　　(3)通過(guò)硅片磨削減薄試驗(yàn)研究了崩邊形狀和尺寸沿硅片圓周的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，研究了砂輪粒度、減薄厚度、磨削方式和砂輪進(jìn)給速度等磨削參數(shù)等崩邊尺寸的影響，并基于單晶硅的各向異性力學(xué)特性和工件旋轉(zhuǎn)法磨削硅片的磨削力特征揭示了崩邊規(guī)律的產(chǎn)生機(jī)理。結(jié)果表明，沿硅片圓周位于<100>晶向的崩邊形狀為等腰直角三角形，位于<110>晶向的崩邊形狀為矩形，但崩邊尺寸沿硅片圓周不同晶向處沒(méi)有明顯的變化;隨著砂輪粒度的減小、減薄厚度的增大

7、及砂輪進(jìn)給速度的減小，減薄硅片的崩邊尺寸相應(yīng)的減小，且順磨方式減薄硅片的崩邊尺寸小于逆磨方式減薄硅片。
　　(4)針對(duì)金剛石砂輪磨削硅片的表面層損傷問(wèn)題，提出采用軟磨料砂輪的機(jī)械化學(xué)磨削技術(shù)。根據(jù)單晶硅的材料特性，研制了用于硅片磨削的CeO2、 Fe2O3和MgO三種軟磨料砂輪，并研究了軟磨料砂輪的修整方法。通過(guò)檢測(cè)硅片表面粗糙度、表面/亞表面損傷、砂輪修整間隔、主軸電機(jī)電流、磨削比及材料去除率等參數(shù)，研究了軟磨料砂輪的磨削性能，

8、并與同粒度金剛石砂輪的磨削性能以及化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的加工效果進(jìn)行了對(duì)比分析。通過(guò)檢測(cè)軟磨料砂輪磨削硅片表面的化學(xué)成分分析了磨料、單晶硅和添加劑之間在磨削過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，建立了軟磨料砂輪磨削硅片的材料去除機(jī)理模型。研究表明，軟磨料砂輪磨削的硅片表面層質(zhì)量遠(yuǎn)好于金剛石砂輪磨削硅片，接近于CMP的加工效果，且材料去除率高于CMP。
　　(5)在上述研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同粒度金剛石砂輪磨削減薄硅片的材料去除率、亞表面損傷深度、