磨削工藝對(duì)晶片表面粗糙度的影響

張文斌，王仲康

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

磨削工藝對(duì)晶片表面粗糙度的影響

張文斌，王仲康

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

磨削工藝直接影響著磨削后晶片的參數(shù)，在這些參數(shù)中，表面粗糙度是鑒別晶片幾何參數(shù)好壞的重要指標(biāo)之一。分析了磨削工藝中砂輪粒度、砂輪進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響。

晶圓減??；磨削；表面粗糙度

集成電路(integrate circuit，IC)是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心，是推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化發(fā)展最主要的高新技術(shù)之一。IC的制造離不開(kāi)高精度、高表面質(zhì)量的硅片，全球90%以上的IC都要采用硅片。隨著半導(dǎo)體晶圓直徑的增大和芯片厚度的超薄化，對(duì)晶圓表面加工質(zhì)量和加工效率提出了更高的要求，需要研究和開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的硅片超精密加工技術(shù)與設(shè)備。而大直徑(≥300mm)硅片的先進(jìn)加工技術(shù)和設(shè)備的引進(jìn)要受到發(fā)達(dá)國(guó)家限制。因此，我們必須依靠自己的力量研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大直徑硅片的超精密加工技術(shù)與設(shè)備。隨著硅片尺寸的增大，對(duì)超薄晶圓面型精度的要求也不斷提高。例如，JB-802型全自動(dòng)晶圓減薄機(jī)采用2000#砂輪可以將φ200 mm晶圓磨削到70μm，表面粗糙度（Ra）小于0.02μm；BGP300全自動(dòng)晶圓減薄拋光一體機(jī)可以將φ300 mm晶圓磨削拋光到50μm，表面粗糙度（Ra）小于0.005μm。晶片表面粗糙度（Ra）是晶圓減薄拋光機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接影響后續(xù)的各項(xiàng)封裝工藝和芯片的最終質(zhì)量。因此，通過(guò)不斷完善磨削工藝參數(shù)，如砂輪粒度、主軸進(jìn)給速度等，最終達(dá)到降低磨削后晶圓的表面粗糙度。如圖1所示。

圖1 超光滑晶圓示意圖

1 硅片表面粗糙度的定義及評(píng)定參數(shù)

1.1 硅片表面粗糙度的定義

硅片表面粗糙度是指硅片表面具有的較小間距和微小峰谷不平度。它屬于微觀幾何形狀誤差，表面粗糙度越小，則表面越光滑；反之，則表面越粗糙。

1.2 表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)

粗糙度輪廓的算術(shù)平均偏差Ra在一個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi)縱坐標(biāo)Z(x)值絕對(duì)值的算術(shù)平均值。其計(jì)算公式為：

式中：Z(x)是取樣長(zhǎng)度內(nèi)硅片基體表面結(jié)構(gòu)的輪廓曲線函數(shù)。

其中取樣長(zhǎng)度Lr，用于判定被評(píng)定粗糙度輪廓不規(guī)則特性的X軸向上的長(zhǎng)度。

2 晶圓減薄機(jī)工藝過(guò)程和原理

2.1 晶圓減薄機(jī)工藝過(guò)程

硅片背面磨削一般分為兩步：粗磨和精磨。在粗磨階段，采用粒度46#～500#的金剛石砂輪，軸向進(jìn)給速度為100～500 mm/min，磨削深度較大，一般為0.5～1 mm。目的是迅速地去除硅片背面絕大部分的多余材料（加工余量的90%）。精磨時(shí)，加工余量幾微米直至十幾微米，采用粒度2000#～4000#的金剛石砂輪，軸向進(jìn)給速度為0.5～10 mm/min。主要是消除粗磨時(shí)形成的損傷層，達(dá)到所要求的厚度，在精磨階段，材料以延性域模式去除，硅片表面損傷明顯減小。

2.2 晶圓減薄機(jī)磨削原理

當(dāng)前主流晶圓減薄機(jī)的整體技術(shù)采用了In-feed磨削原理設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)晶圓的延性域磨削，提高減薄質(zhì)量，通過(guò)減小砂輪，使設(shè)備的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分辨率小于0.1μm，進(jìn)給速度最小1μm/min。另外，為了提高減薄工藝的效率，進(jìn)給系統(tǒng)在滿足低速進(jìn)給的前提下，要盡可能實(shí)現(xiàn)高速返回（見(jiàn)圖2）。

圖2 In-feed磨削原理示意圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

準(zhǔn)備9片φ200 mm(8英寸)晶片，進(jìn)行減薄試驗(yàn)，記錄減薄時(shí)的各項(xiàng)工藝參數(shù)及最終所磨削晶片的表面粗糙度值，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行比較，最終得到砂輪粒度、砂輪進(jìn)給速度和表面粗糙度之間的關(guān)系，方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表1和表2，磨削實(shí)驗(yàn)用JB-802晶圓減薄機(jī)。

3.2 工藝操作步驟

針對(duì)方案一：取4片晶圓片，更換砂輪型號(hào)，依次為#325、#600、#2000和#3000，其它磨削參數(shù)不變。

表1 方案一：磨削主要技術(shù)參數(shù)

表2 方案二：磨削主要技術(shù)參數(shù)

針對(duì)方案二：取5片晶圓片，設(shè)置砂輪進(jìn)給速度，依次為10μm/min、30μm/min、50μm/min、70μm/min和90μm/min，其它磨削參數(shù)不變。

3.3 測(cè)量設(shè)備及方法

通過(guò)Xi-100輪廓儀，讀取5個(gè)點(diǎn)晶圓片表面粗糙度數(shù)據(jù)，測(cè)量方法如圖3所示。

圖3 晶圓表面粗糙度檢測(cè)位置示意圖

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)Xi-100輪廓儀，讀取5個(gè)點(diǎn)晶圓片表面粗糙度數(shù)據(jù)，選擇5個(gè)點(diǎn)表面粗糙度最大值，數(shù)據(jù)如表3所示。砂輪粒度與表面粗糙度關(guān)系見(jiàn)圖4所示，砂輪進(jìn)給速度與表面粗糙度關(guān)系見(jiàn)圖5所示。

我們?nèi)?號(hào)片，通過(guò)輪廓儀Xi-100系統(tǒng)測(cè)量，表面粗糙度Ra為4.141 nm，表面峰谷St為36.52 nm，見(jiàn)圖6所示。

表3 晶圓片表面粗糙度值

圖4 砂輪粒度與表面粗糙度的關(guān)系

圖5 砂輪進(jìn)給速度與表面粗糙度的關(guān)系

3.5 結(jié)果分析

為了研究砂輪進(jìn)給率、砂輪轉(zhuǎn)速、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速對(duì)硅片表面粗糙度的影響規(guī)律，分別對(duì)它們進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖6 晶圓表面輪廓圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)果：

（1）當(dāng)其它磨削參數(shù)不變時(shí)，隨著磨輪磨粒尺寸的減小，晶圓表面粗糙度減小，而且同一粒度砂輪磨削硅片的表面粗糙度常常在一個(gè)范圍之內(nèi)。因此，為了降低硅片的表面粗糙度，就要在一定范圍內(nèi)減小砂輪磨粒尺寸，不過(guò)這樣會(huì)降低材料去除率，延長(zhǎng)了加工時(shí)間，增加成本。

（2）當(dāng)其它磨削參數(shù)不變時(shí)，硅片的表面粗糙度值隨著砂輪進(jìn)給率的增大而增大，且表面粗糙度值增大的很快。因?yàn)樯拜嗊M(jìn)給率增大而轉(zhuǎn)速不變時(shí)，砂輪磨削深度增大，從而對(duì)硅片表面的切削力和擠壓力也增大，單位時(shí)間內(nèi)去除的材料增多，材料脆性斷裂的趨勢(shì)增大，損傷深度也增大。因此，為了降低硅片的表面粗糙度值，就要在一定范圍減小砂輪進(jìn)給率，不過(guò)這樣會(huì)降低材料去除率，延長(zhǎng)了加工時(shí)間，增加成本。

4 結(jié)論

綜上所述，砂輪粒度、砂輪進(jìn)給率對(duì)硅片表面粗糙度的影響巨大。因此，在晶圓磨削過(guò)程中，對(duì)砂輪粒度、砂輪進(jìn)給率等工藝參數(shù)的合理設(shè)置，有助于降低晶圓的表面粗糙度值，從而提高磨削后晶圓的表面質(zhì)量。

[1] 田業(yè)冰，郭東明，康仁科，等.大尺寸硅片自旋轉(zhuǎn)磨削的試驗(yàn)研究[J].金剛石與磨料模具工程，2004，28(9)：12-15.

[2] 王仲康.超薄化芯片[J].電子工業(yè)專用設(shè)備.2006，23 (128)：13～18.

Effect of Grinding Process on The Wafer Surface Roughness

ZHANG Wenbin，WANG Zhongkang

(CETC Beijing Electronic Equipment Co.，LTD，Beijing 100176)

The grinding process directly affects the surface quality of silicon wafer quality parameters，among these parameters，surface roughness is one of the important index in differential geometry parameters of the silicon wafer quality.Effect of grinding wheel type，the wheel infeed rate grinding process on the wafer surface roughness are analyzed.

Wafer Thinning;Grinding;Surface Roughness

TN305.2

B

1004-4507(2015)03-0032-04

張文斌（1982-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，工學(xué)碩士，畢業(yè)于大連理工大學(xué)，機(jī)械工程師，現(xiàn)就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，主要從事半導(dǎo)體設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

2014-12-24