超薄石英玻璃晶圓雙面拋光過(guò)程中破裂的探究

李懷陽(yáng) 花寧 隋鎂深

（中建材衢州金格蘭石英有限公司，浙江 衢州 324000）

1 引言

石英玻璃晶圓因具有化學(xué)純度高、抗熱膨脹和熱沖擊性能強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度高、耐輻射性能高、光傳輸效果好等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，常用于光刻環(huán)節(jié)，也是MEMS及CMOS等傳感器中的重要組成部分。2017年全球半導(dǎo)體用玻璃晶圓銷量達(dá)到4.9億美元，在未來(lái)五年將以每年6%的增速持續(xù)發(fā)展[1]。隨著新型電子設(shè)備小型化及芯片制造量產(chǎn)化的發(fā)展趨勢(shì)，厚度更薄尺寸更大的石英玻璃晶圓正成為半導(dǎo)體廠商采購(gòu)的熱點(diǎn)。我公司從事石英玻璃晶圓產(chǎn)品加工多年，長(zhǎng)期出口歐洲半導(dǎo)體廠商，目前下游客戶廠商產(chǎn)品采購(gòu)側(cè)重正從厚度0.5mm的薄片石英玻璃晶圓向厚度0.3mm以下的超薄石英玻璃晶圓發(fā)展。

雙面拋光過(guò)程為石英玻璃晶圓機(jī)械加工的最后一步，也是加工周期最長(zhǎng)、控制產(chǎn)品質(zhì)量最為關(guān)鍵的一步。雙面拋光后的石英玻璃晶圓產(chǎn)品表面缺陷主要包括麻點(diǎn)、劃傷、崩邊、裂紋、破碎幾方面。麻點(diǎn)及劃傷可以主要通過(guò)對(duì)拋光環(huán)境進(jìn)行控制來(lái)避免，也可以進(jìn)一步修復(fù)。而崩邊、裂紋、破碎（下文統(tǒng)稱破裂）這類不可修復(fù)缺陷的出現(xiàn)，主要是由于雙面拋光設(shè)備施加壓力和運(yùn)轉(zhuǎn)速度不當(dāng)造成的，一旦出現(xiàn)此類缺陷，產(chǎn)品無(wú)法修復(fù)只能報(bào)廢。因此超薄石英玻璃晶圓加工難點(diǎn)主要集中在降低破裂缺陷，提高成品率方面。

為在保證生產(chǎn)效率的前提下提高石英玻璃晶圓加工精度和成品率，本文通過(guò)對(duì)石英玻璃晶圓破裂的受力分析及生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果兩方面進(jìn)行分析，主要對(duì)石英玻璃晶圓在雙面磨拋過(guò)程中出現(xiàn)破裂現(xiàn)象的原因以及如何避免進(jìn)行了探究。

2 實(shí)驗(yàn)

雙面拋光過(guò)程當(dāng)中造成石英玻璃晶圓破裂的主要影響工藝參數(shù)為雙面拋光機(jī)的轉(zhuǎn)速和雙面拋光機(jī)上盤(pán)施壓，因此將上盤(pán)施壓與下盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)定為本實(shí)驗(yàn)主要變量。根據(jù)以往石英玻璃晶圓拋光加工經(jīng)驗(yàn)，選取下盤(pán)轉(zhuǎn)速16、18、20、22、24rpm，上盤(pán)數(shù)顯壓力（輕壓）0.2、0.4、0.6、0.8、1bar作為實(shí)驗(yàn)變量。實(shí)驗(yàn)中為降低拋光設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的震動(dòng)干擾因素，采取對(duì)雙面拋光機(jī)上盤(pán)固定的方法進(jìn)行拋光。

實(shí)驗(yàn)樣品材料本公司生產(chǎn)的JGS2石英玻璃，經(jīng)切割、滾圓、粗磨、倒角、細(xì)磨后制成直徑100mm，厚度為0.35mm的精磨片。實(shí)驗(yàn)所用拋光設(shè)備為湖南宇晶機(jī)器股份有限公司生產(chǎn)的13B-5L雙面拋光機(jī)，拋光機(jī)上盤(pán)重量135kg，太陽(yáng)輪速度與下盤(pán)（定盤(pán)）速度速比為1∶2。拋光液為法國(guó)羅地亞CEROX2660型氧化鈰拋光粉加純水配制。拋光介質(zhì)采用美國(guó)環(huán)球LP-10型聚氨酯拋光墊。每批拋光晶圓數(shù)量20片，拋光磨削量0.05mm。拋光結(jié)束后對(duì)不同轉(zhuǎn)速和施加壓力條件下的拋光作業(yè)時(shí)間（加工時(shí)間）進(jìn)行記錄，并對(duì)產(chǎn)品的破裂缺陷情況進(jìn)行全檢，將完全不存在破裂缺陷的產(chǎn)品記做合格成品，進(jìn)而計(jì)算產(chǎn)品成品率。

3 結(jié)果與分析

3.1 破裂缺陷的確定

石英玻璃晶圓的破裂缺陷主要包括崩邊、裂紋、破碎三種。圖1為光學(xué)顯微鏡放大50倍的石英玻璃晶圓破裂缺陷照片：其中圖1（a）所示的崩邊通常是長(zhǎng)度超過(guò)0.3mm的肉眼可視邊緣斷裂或缺口；裂紋則往往是在崩邊的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步擴(kuò)展形成，如圖1（b）所示；存在裂紋的晶圓如繼續(xù)加工或使用極易在受力情況下破碎，如圖1（c）所示。因此在石英玻璃晶圓整套加工過(guò)程中，通常一旦出現(xiàn)崩邊即認(rèn)定為次品，不再進(jìn)行后續(xù)加工。

圖1 石英玻璃晶圓破裂缺陷

3.2 破裂缺陷的產(chǎn)生原因

在雙面拋光過(guò)程當(dāng)中，晶圓的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定于上盤(pán)轉(zhuǎn)速、下盤(pán)轉(zhuǎn)速、太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速以及其承受各種作用力，晶圓在游星輪的帶動(dòng)下做行星運(yùn)動(dòng)與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。所以純粹的研究雙面拋光過(guò)程中的石英玻璃晶圓的整體受力狀況是一件極為復(fù)雜的事情。但從實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得知，石英玻璃晶圓的破裂缺陷總是首先從晶圓邊緣處出現(xiàn)。因此，石英玻璃晶圓的破裂臨界值取決于其邊緣強(qiáng)度。對(duì)石英玻璃晶圓邊緣處進(jìn)行的局部受力分析，可以從一定程度上解釋破裂缺陷產(chǎn)生的主要原因。

圖2 石英玻璃晶圓倒角示意圖

無(wú)論是在加工還是在使用過(guò)程當(dāng)中，石英玻璃晶圓的邊緣的強(qiáng)度都是值得注意的地方。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中通常會(huì)對(duì)石英玻璃晶圓的邊緣進(jìn)行如圖2所示的保護(hù)性倒角處理，合適的倒角工藝能夠有效提高晶圓邊緣強(qiáng)度[2]。即便如此，在不當(dāng)?shù)纳a(chǎn)工藝和嚴(yán)格的使用環(huán)境下，石英玻璃晶圓的破裂缺陷還是會(huì)在倒角處出現(xiàn)。圖3（a）中對(duì)選取的晶圓倒角處單位面積為A 的局部位置進(jìn)行了受力分析。其中，θ為倒角角度；F1為單位面積A處晶圓承受的垂直方向作用力；F2為單位面積A處晶圓承受的水平方向作用力。在雙面拋光過(guò)程中，F(xiàn)1主要源自于雙面拋光機(jī)上盤(pán)施加的壓力，F(xiàn)2則主要是晶圓在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中向心力與游星輪對(duì)其反向作用力的合力。

圖3 石英玻璃晶圓局部受力分析

在圖3（b）和圖3（c）中，分別對(duì)F1和F2進(jìn)行受力分解，將其分別分解為垂直于倒角面的正向力P1、P2和平行于倒角面的切向力T1、T2。對(duì)于單位面積A處的晶圓，其所承受的正向力和切向力的合力：

因此，在單位面積A處的晶圓承受的正應(yīng)力σ和切應(yīng)力τ分別為：

由公式（3）和（4）可以得知，石英玻璃晶圓在雙面拋光過(guò)程中破裂的主要原因是由于其邊緣所承受的切應(yīng)力和正應(yīng)力超過(guò)晶圓機(jī)械強(qiáng)度極限。在超薄石英玻璃晶圓的加工過(guò)程中，由于晶圓厚度極?。ㄍǔＰ∮?.3mm），其保護(hù)性倒角的總面積也隨之銳減。所以在受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同的情況下，由于超薄石英玻璃晶圓單位面積A遠(yuǎn)小于普通晶圓，因此其承受的正應(yīng)力和切應(yīng)力也隨之大幅提高，極易超出晶圓機(jī)械強(qiáng)度極限，從而造成破裂缺陷的產(chǎn)生。

3.3 拋光工藝的確定

在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別對(duì)上盤(pán)施加輕壓0.2、0.4、0.6、0.8、1bar的狀態(tài)下下盤(pán)轉(zhuǎn)速為16、18、20、22、24rpm的拋光成品進(jìn)行了成品率檢驗(yàn)，圖4為根據(jù)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制的不同壓力狀態(tài)下下盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)成品率的影響。

圖4 下盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)成品率的影響

由圖4可以看出，在固定壓力的情況下，隨著下盤(pán)轉(zhuǎn)速的提高，產(chǎn)品成品率呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。在下盤(pán)轉(zhuǎn)速超過(guò)20rpm之后，成品率下降程度逐漸明顯。在下盤(pán)轉(zhuǎn)速超過(guò)22rpm之后，無(wú)論在何種壓力狀態(tài)下進(jìn)行加工，超薄石英玻璃晶圓的成品率均無(wú)法達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求（95%）。由圖4還可以看出，當(dāng)上盤(pán)施加輕壓為0.2bar時(shí)，無(wú)論在何種轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行加工，產(chǎn)品成品率均未能超過(guò)95%。

從首先保障成品率的角度出發(fā)，只考慮成品率超過(guò)95%的實(shí)驗(yàn)記錄點(diǎn)。為找尋在滿足成品率的條件下加工效率最快的工藝條件，根據(jù)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制圖5，分析在不同轉(zhuǎn)速條件上盤(pán)施壓對(duì)加工時(shí)間的影響。

圖5 上盤(pán)施壓對(duì)加工時(shí)間的影響

由圖5可以看出，隨著雙面拋光機(jī)上盤(pán)對(duì)晶圓施加輕壓的提高（上盤(pán)對(duì)晶圓施加壓力的大小隨輕壓的提高而降低），產(chǎn)品加工時(shí)間不斷增加。圖5中加工時(shí)間最小的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)為轉(zhuǎn)速20rpm、輕壓0.4bar。由此可以得知，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)選用規(guī)格的超薄石英玻璃晶圓的加工來(lái)說(shuō)，當(dāng)雙面拋光機(jī)下盤(pán)轉(zhuǎn)速為20rpm，上盤(pán)施加輕壓0.4bar時(shí)能夠在避免破裂缺陷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最快加工速度。

需要注意的是，本實(shí)驗(yàn)選取的4英寸超薄石英玻璃晶圓為現(xiàn)今市場(chǎng)常見(jiàn)規(guī)格中最小直徑尺寸的產(chǎn)品，為充分降低破裂風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于6英寸、8英寸等更大直徑尺寸的超薄石英玻璃晶圓的拋光還應(yīng)選擇更低水平的轉(zhuǎn)速及壓力。

3.4 破裂缺陷的避免

設(shè)備轉(zhuǎn)速和施加壓力對(duì)石英玻璃晶圓破裂產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在晶圓承受的垂直和水平方向作用力之上。過(guò)快的轉(zhuǎn)速使得運(yùn)動(dòng)中的晶圓承受更大的向心力與游星輪的反向作用力，但設(shè)備轉(zhuǎn)速的降低勢(shì)必導(dǎo)致拋光效率的下降。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在施加壓力不變的情況下轉(zhuǎn)速的提高更容易導(dǎo)致晶圓崩邊缺陷的產(chǎn)生。

施加壓力的增加不僅能夠直接提高拋光磨料磨削效率，還能夠間接通過(guò)摩擦起熱的形式提高拋光溫度，從而通過(guò)有效促進(jìn)化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）反應(yīng)速度的形式來(lái)提升拋光速度[3]。但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在轉(zhuǎn)速不變的條件下，上盤(pán)施加過(guò)大的壓力是晶圓裂紋和破碎缺陷產(chǎn)生的主要原因。

為避免崩邊缺陷的產(chǎn)生，在對(duì)設(shè)備轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理調(diào)控的前提之下，還需關(guān)注游星輪的材質(zhì)及孔位設(shè)計(jì)。為避免裂紋和破碎缺陷的產(chǎn)生，除對(duì)設(shè)備施壓合理調(diào)控之外，還應(yīng)注意從避免設(shè)備震動(dòng)、保持良好磨盤(pán)面型等方面降低局部過(guò)大壓力的出現(xiàn)。

4 結(jié)論

1）超薄石英玻璃晶圓在雙面拋光過(guò)程中破裂的主要原因是由于其邊緣所承受的切應(yīng)力和正應(yīng)力超過(guò)晶圓機(jī)械強(qiáng)度極限。

2）由于對(duì)超薄石英玻璃晶圓進(jìn)行保護(hù)性倒角的面積大幅減小，導(dǎo)致其在加工過(guò)程中比常規(guī)晶圓承受更大的應(yīng)力。

3）裂紋和破碎往往是在崩邊的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步擴(kuò)展形成。

4）當(dāng)設(shè)備下盤(pán)轉(zhuǎn)速高于22rpm或施加輕壓小于0.2bar時(shí)，超薄石英玻璃晶圓破裂比例大幅提高。

5）當(dāng)雙面拋光機(jī)下盤(pán)轉(zhuǎn)速為20rpm、施加輕壓0.4bar時(shí)能夠在避免破裂缺陷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最快加工速度。

5 展望

中國(guó)是全球半導(dǎo)體消費(fèi)最大的國(guó)家，但我國(guó)半導(dǎo)體芯片嚴(yán)重依賴進(jìn)口。玻璃晶圓是半導(dǎo)體加工過(guò)程當(dāng)中的重要基礎(chǔ)性材料，但目前全球玻璃晶圓市場(chǎng)基本被肖特、康寧、旭硝子等歐美日企業(yè)所壟斷。目前國(guó)內(nèi)大型半導(dǎo)體廠商對(duì)玻璃晶圓的采購(gòu)側(cè)重點(diǎn)也傾向于進(jìn)口產(chǎn)品。近期中美貿(mào)易戰(zhàn)愈演愈烈，石英玻璃晶圓的國(guó)產(chǎn)化變得更為重要。隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)形勢(shì)的變化與我國(guó)政府扶持力度的不斷提高，相信通過(guò)國(guó)內(nèi)科技工作者的不斷努力，在不遠(yuǎn)的將來(lái)我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)一定會(huì)迎來(lái)突飛猛進(jìn)的發(fā)展時(shí)代。