大尺寸硅片背面磨削技术的应用与发展
| 层，再下面为正常的单晶硅结构。砂轮磨料的粒度对硅片亚表面损伤的程度影最大，设备的精度、磨削用量对亚表面损伤也有重要影响。一般粗磨时材料是以脆性断裂的模式去除，在硅片表面留下深度达20-30mm的损伤层和限大的残余应力。在精磨阶段，材料是以延性域的模式去除的，能消除粗磨时形成的损伤层，精磨后的表面损伤明显减小，其深度一般为15mm以下。此外，由于磨削时磨粒的出刃高度不一致，还会在硅片表面留下磨痕（grinding mark）。大量的数据分析表明，芯片在键合与测试时往往发生碎裂,碎裂的原因往往是由于在背面减薄时引起的损伤在后序的腐蚀或化学机械抛光时没有完全去除引起的。 （4）翘曲变形磨削会在硅片表面产生残余应力，使背磨后的硅片发生翘曲，常常导致硅片碎裂。由于粗磨导致的残余应力较大，最大翘曲一般发生在粗磨之后。通常需要采用湿法腐蚀、常压等离子腐蚀、化学机械抛光等去除损伤层和残余应力，以减小硅片翘曲。 3.4 硅片背面磨削的关键技术 由于单晶硅是典型的硬脆材料，为实现大尺寸硅片的高效率、超精密和超薄化磨削，应具备以下关键技术： （1）高精度、高刚度的主轴系统硅片磨床应具有极高的静、动态刚性和优良的热平衡结构，为此，砂轮主轴和工件转台主轴都采用高精度、高刚度、高速度的空气轴承主轴，内置式伺服电机。砂轮主轴和工件主轴的径向跳动小于O．02mm。 （2）高精度微进给系统为了实现硅片的延性域磨削，通过减小砂轮轴向进给速度实现微小磨削深度，要求磨床的进给运动具有很小的分辨率并能精确控制。目前，国外先进的背面磨床的砂轮轴向进给速度最小可达1mm／min。 （3）微细粒度的超硬磨料砂轮实现单晶硅等硬脆材料超精密磨削的关键技术之一是砂轮的性能。硅片背面磨削使用杯形金刚石砂轮，直径一般为350mm-200mm，金刚石粒度在300#-4000#之间，砂轮的粒度严格控制，砂轮用特殊结合剂制作，有较长的使用寿命。 （4）硅片精密定位夹持装置为了能够安全可靠地输送和加工薄的硅片，一般先将硅片的正面用特殊的双面胶带粘结在一块刚性支撑基板上，然后通过真空吸盘夹持在工件转台上。 4 硅片背面磨削技术的新进展 由于硅片直径和厚度以及芯片厚度的变化，硅片背面磨削技术面临的主要问题是： （1）提高硅片减薄的效率。原始硅片厚度的增大和芯片的超薄化使硅片背面减薄的材料去除量加大。背面磨削作为硅片背面减薄的主要工艺，要求具有很高的加工效率。 （2）减小表面和亚表面损伤。磨削引起的损伤和残余应力极大的降低了硅片的机械性能，增大了硅片碎裂的风险，为了减小损伤和残余应力，必须采用更微细粒度的砂轮和更小的磨削用量。 （3）减小或避免硅片翘曲。背面磨削后的硅片会产生很大的翘曲变形，而且硅片越薄翘曲变形越大。在后续的湿法腐蚀和CMP等去除残余应力工序中，翘曲硅片的运送和处理非常困难，常常导致硅片碎裂。因此必须减小磨削残余应力，以减小硅片翘曲。 为了解决上述问题，国内外不断开展硅片背面磨削技术研究，取得一些新的进展，主要表现在： ◆a．开发新型的超精密磨床 近年来，英国Cranfield大学研制的正四面体（Tetraform）新概念磨床具有很高的静、动态刚性和优良的热平衡结构，可以在隔离环境振动和温度的条件下进行高速超精密磨削。用于磨削单晶硅的表面粗糙度达到Ral-20nm，亚表面损伤深度只有传统磨削的1-2％，甚至小于抛光加工产生的亚表面损伤深度。日本Super Silicon研究所和Disco公司提出了“三角柱型五面体构造”的概念磨床，这种磨床结构的刚度更高，稳定性更好。实验结果表明，在相同磨削深度条件下，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，表面损伤很小。 日本茨城大学的江田弘等人开发了基于自旋转磨削原理的集成磨削系统，该系统具有两个自由度（砂轮主轴轴向进给、工件主轴径向进给），磨削采用空气静压导轨和空气主轴支承，砂轮主轴和工件主轴的径向跳动小于O．02mm，超精密定位机构和进给机构可实现0．5mm／min的进给率，超磁致伸缩微驱动装置调整砂轮轴与工件轴的夹角控制硅片面型精度，可以在一个工序中完成硅片的延性域磨削和类似抛光的磨削（polishing-like grinding），加工直径300mm硅片可达到表面粗糙度Ra＜lnm，TTV＜0．2mm，表面损伤层减小到120m，能源消耗比传统工艺降低70％。 ◆b．研究超细粒度金刚石砂轮及其应用技术 日本的H．Ohmori等人将在线电解修整（ELID）技术应用于硅片自旋转磨削工艺，采用粒度为#10，000-#3,000,000的铸铁纤维结合剂微粉金刚石砂轮，仍能实现稳定的磨削。用#3,000,000（平均粒径8nm）的砂轮磨削硅片，获得了RMS≤0．47nm的表面，与化学机械抛光获得的表面非常接近。 ◆c．采用先划片后减薄工艺 背面磨削后硅片的翘曲变形会给硅片在后序的输送和夹持定位带来困难，在划片时易发生碎裂。Disco公司开发了DBG（Dicing Be□fore Grinding）技术，即在背面磨削之前将硅片的正面切割出一定深度的切口，然后再进行背面磨削，此工艺避免了硅片的翘曲变形，减小了运送大尺寸超薄硅片的碎片风险。采用DBG技术，300mm尺寸的硅片可以减薄到50um；近来，又出现了DbyT（Dicing-by Thinning）概念，与DBG技术相似，在减薄之前先用机械的或化学的方式切割出切口，不同之处是用磨削方法减薄到一定厚度以后，采用ADP磨蚀技术去除掉其余的加工余量，实现裸芯片的自动分离。 ◆d．实现背面减薄工艺集成 为减少硅片的搬运和夹持次数，以提高加工效率和降低碎片率，先进的硅片背面磨床采用多主轴转位工作台结构，在同一机台上装夹一次硅片即可实现粗磨和精磨；超精密进给机构和定位机构以控制微小磨削深度；为保证硅片的平整度，具有主轴角度自动调整装置；为有效控制硅片厚度，装有在线厚度测量装置；此外还配有干进干出，（Dry-in Dry-out）的清洗和烘干系统以及自动装卸硅片的机械手等。 近几年日本一些公司还开发了集硅片背面磨削与CMP或干式抛光为一体的磨抛机床。东京精密公司生产的PG300／PG200系列磨床硅片在同一机台上只需装夹一次便可实现粗磨、精磨和抛光，这到迅速减薄和去除损伤层和残余应力的目的。 |
