MEMS用硅片的磨削工藝研究

楊 靜，王雄龍，韓煥鵬，楊洪星，李明佳，張偉才

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

隨著微制造技術(shù)的不斷提升，MEMS器件在多個(gè)行業(yè)得到應(yīng)用。硅材料由于具有良好的電子兼容性和微加工屬性而成為制造MEMS器件的首選材料。隨著MEMS器件不斷向輕薄化、批量化發(fā)展的特點(diǎn)，所使用硅片厚度變得越來(lái)越薄、尺寸也在逐漸增大。同時(shí)由于硅片厚度的減小及尺寸的增大，硅片在加工時(shí)發(fā)生破碎的幾率增大，這給加工帶來(lái)一定困難[1]。此外，為保證MEMS器件的結(jié)構(gòu)及性能，硅片內(nèi)部的損傷應(yīng)盡可能小。大尺寸薄硅片加工時(shí)易出現(xiàn)翹曲變形，在后續(xù)器件制作過(guò)程中翹曲變形容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層形變[2]。故對(duì)MEMS用硅片的加工應(yīng)盡可能確保硅片的高平整度及較小的應(yīng)力。傳統(tǒng)硅片加工中一般采用游離磨料的雙面研磨工藝消除線切割引起的切痕，這種方法能夠提高硅片的平整度，在一定程度上緩解切割造成的硅片變形程度，但受磨料粒徑的限制，研磨后的硅片表面較為粗糙，磨料機(jī)械摩擦引起的損傷層較深，故而經(jīng)過(guò)研磨的硅片內(nèi)部仍存在較大的加工應(yīng)力，磨料的這種影響隨著硅片直徑的增大、厚度的減小愈發(fā)明顯，故傳統(tǒng)的研磨工藝不適用于MEMS用硅片的加工。磨削加工采用固結(jié)磨料的金剛石砂輪對(duì)硅片進(jìn)行加工，磨削速度快、加工效率高、砂輪本身易于修整[3]，是加工MEMS用硅片的理想選擇。磨削時(shí)砂輪進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)并對(duì)硅片進(jìn)行軸向進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)磨削[4]。磨削為純機(jī)械摩擦，常規(guī)加工時(shí)，冷卻液可將摩擦產(chǎn)生的熱量及時(shí)帶走，但MEMS用硅片由于本身直徑較大、熱量排出路徑變長(zhǎng)，同時(shí)厚度較小的特點(diǎn)也使其與砂輪及吸盤之間的貼合程度更為緊密，給熱量的及時(shí)散出帶來(lái)不便，得不到及時(shí)排出的熱量堆積在硅片內(nèi)部形成熱應(yīng)力，最終影響硅片質(zhì)量；此外砂輪磨削硅片時(shí)，磨料直接與硅片發(fā)生機(jī)械碰撞時(shí)不可避免的會(huì)在硅片表面引起損傷，損傷越大，后續(xù)拋光的去除量越大、拋光成本越高[5]。研究表明，磨料粒度、軸向進(jìn)給速度及主軸轉(zhuǎn)速是影響硅片磨削質(zhì)量的主要因素。基于上述分析，本文分別從上述幾個(gè)方面對(duì)MEMS用硅片的磨削工藝進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

硅片磨削實(shí)驗(yàn)在型號(hào)為DAG 810的磨削機(jī)上進(jìn)行，硅片通過(guò)真空吸附作用固定在吸盤上。磨削時(shí)主軸驅(qū)動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)、吸盤承載硅片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。砂輪在自轉(zhuǎn)的同時(shí)以一定的軸向進(jìn)給速度對(duì)硅片進(jìn)行磨削。實(shí)驗(yàn)采用的砂輪型號(hào)分別為600#、1200#、2000#、3000#、4000#。實(shí)驗(yàn)采用的硅片直徑為150 mm、晶向?yàn)?100>。硅片的表面粗糙度采用粗糙度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，幾何參數(shù)采用多功能晶片測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 磨料粒度對(duì)磨削過(guò)程的影響

砂輪型號(hào)不同、目數(shù)不同其磨料粒度大小也不同，為研究磨料粒度對(duì)MEMS用硅片磨削的影響，本文分別采用不同目數(shù)的砂輪對(duì)硅片進(jìn)行磨削。所用砂輪目數(shù)與磨料粒度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。磨削時(shí)將主軸轉(zhuǎn)速與吸盤轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為3 000 r/min與100 r/min，磨削分兩步進(jìn)行，各步進(jìn)給速度分別設(shè)置為0.2 μm/s與0.1 μm/s，磨削結(jié)束后分別測(cè)試各硅片的表面粗糙度與幾何參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 不同砂輪目數(shù)磨削后硅片的表面粗糙度與幾何參數(shù)

磨削后用表面粗糙度對(duì)磨削質(zhì)量進(jìn)行表征，表面粗糙度能正確地反映表面損傷，損傷越深，導(dǎo)致粗糙度越大。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，隨著組成砂輪的磨料粒度的減小，表面粗糙度逐漸減小，幾何參數(shù)呈減小趨勢(shì)，但當(dāng)用較小粒度的4000#砂輪進(jìn)行磨削時(shí)，幾何參數(shù)反而增大。其原因是4000#砂輪的粒徑較小、磨削力較小，磨削時(shí)與MEMS用薄硅片又緊密貼合，磨削產(chǎn)生的熱量得不到及時(shí)排除，殘余的熱量堆積在硅片內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，而引起硅片變形、幾何參數(shù)增大。

2.2 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)磨削過(guò)程的影響

由表 1 可知，2000#、3000#、4000# 砂輪磨削MEMS用硅片后表面粗糙度較小、表面損傷深度較小，后續(xù)加工負(fù)擔(dān)較小，故分別對(duì)上述型號(hào)的砂輪磨削硅片的主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行了摸索研究，主要磨削參數(shù)如表2所示，其中主軸轉(zhuǎn)速與吸盤轉(zhuǎn)速之比約為30∶1，磨削過(guò)程分兩步進(jìn)行，各步進(jìn)給速度設(shè)置如表2所示。

表2 磨削參數(shù)設(shè)計(jì)

不同型號(hào)的砂輪在不同的主軸轉(zhuǎn)速下磨削硅片的表面如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 2000#砂輪磨削后硅片的表面

圖2 3000#砂輪磨削后硅片的表面

圖3 4000#砂輪磨削后硅片的表面

由上述圖1、圖2、圖3可知，經(jīng)過(guò)磨削的硅片表面出現(xiàn)了從中心向邊緣逐漸擴(kuò)散的磨削紋，由磨削原理可知，磨削紋密度越大，硅片的表面質(zhì)量越好。從上述3圖中可以看出，主軸轉(zhuǎn)速不同，硅片表面磨削紋密度不同，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，磨削紋密度逐漸增加，磨削質(zhì)量變好；此外，磨料粒度減小時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速的增加硅片被燒焦（如圖 1d、圖 3c與圖 3d）或斷裂（如圖 2d）的程度增加，這與磨削產(chǎn)生熱量、硅片內(nèi)部引入損傷有關(guān)。隨著主軸亦即砂輪轉(zhuǎn)速的增大，砂輪每轉(zhuǎn)的磨削深度減小，表面損傷深度減小，外在表現(xiàn)為表面的磨削紋密度增大。但當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，磨削深度減小，材料去除主要以塑性變形方式為主，此時(shí)磨粒需要克服硅片的塑性變形而消耗大量的能量，磨削產(chǎn)熱相應(yīng)增加，磨削溫度隨之升高，進(jìn)而引起磨削燒傷。此外，砂輪轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，砂輪的自銳能力減弱，鈍化磨粒的摩擦作用使砂輪的磨削力和磨削功率增大，磨削性能變差，材料去除率下降，造成損傷深度變大，易引起硅片的“燒傷”或斷裂。綜上所述，應(yīng)將砂輪轉(zhuǎn)速亦即主軸轉(zhuǎn)速控制在4 000 r/min左右。

2.3 砂輪軸向進(jìn)給速度對(duì)磨削過(guò)程的影響

考慮到MEMS用硅片厚度薄、尺寸大的特點(diǎn)，為最大程度上減輕磨削硅片的表面損傷，采用分步進(jìn)給的方式對(duì)硅片進(jìn)行磨削。為研究進(jìn)給速度對(duì)磨削表面的影響，選用3000#砂輪，在4 000 r/min的主軸轉(zhuǎn)速下對(duì)不同磨削階段分別設(shè)計(jì)了不同的進(jìn)給速度，如表3所示。

表3 分步磨削進(jìn)給速度設(shè)計(jì)

由于磨削過(guò)程為金剛石砂輪與硅片的機(jī)械摩擦過(guò)程，硅片表面產(chǎn)生機(jī)械損傷在所難免，而MEMS器件制作要求硅片表面超光滑、無(wú)損傷，因此磨削后的硅片要經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程，拋光去除量直接反映磨削硅片表面損傷層的大小。在表3中的3組磨削條件下磨削后，進(jìn)行拋光，拋光去除量如表4所示。

表4 不同磨削條件下所需的拋光去除量

由表4數(shù)據(jù)可知，拋光去除量隨著砂輪進(jìn)給速度的減小而減小，亦即損傷深度逐漸減小。磨削時(shí)，磨粒在壓力和相對(duì)作用下，硅材料表面發(fā)生脆、塑性變化形成磨屑而實(shí)現(xiàn)去除，砂輪的進(jìn)給速度直接影響材料的脆、塑性變化。當(dāng)砂輪以大的進(jìn)給速度磨削時(shí)，磨削深度增大，磨粒對(duì)硅片表面的切削力和擠壓力增大，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、塑性變形趨勢(shì)減小，損傷深度增大而致使拋光去除量增大。因此，為減輕后續(xù)拋光負(fù)擔(dān)，應(yīng)減小砂輪進(jìn)給速度。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)MEMS用硅片的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)研究了其磨削加工工藝。結(jié)果表明，磨料粒度、主軸轉(zhuǎn)速、砂輪進(jìn)給速度是影響MEMS用硅片磨削過(guò)程的主要因素，這幾種因素通過(guò)影響磨削過(guò)程中磨削熱的產(chǎn)生、材料的去除方式進(jìn)而影響硅片內(nèi)部的應(yīng)力大小及外部形變情況。當(dāng)選用3000#砂輪，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，分兩步進(jìn)行磨削，各步進(jìn)給速度分別設(shè)置為0.03 μm/s與0.02 μm/s時(shí)，MEMS用硅片的磨削效果最好。