造孔劑含量對(duì)樹脂結(jié)合劑硅片減薄砂輪磨削性能的影響

惠 珍， 趙延軍， 張高亮， 趙 炯， 丁玉龍， 葉騰飛， 孫冠男， 熊華軍

(1. 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司， 鄭州 450001) (2. 超硬材料磨具國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鄭州 450001)

電子產(chǎn)品對(duì)高性能、多功能、小型化和低成本器件的需求推動(dòng)了半導(dǎo)體集成電路IC制造技術(shù)的高速發(fā)展，而單晶硅是制作半導(dǎo)體元件的主要材料。單晶硅片直徑直接影響半導(dǎo)體芯片的容量和成本，而硅片減薄和最小線寬是芯片制造的關(guān)鍵。因?yàn)楣杵瑴p薄技術(shù)有利于改善芯片的散熱效果，最小線寬則是代表IC行業(yè)先進(jìn)水平的主要指標(biāo)，線寬越小，電流回路單元越小，單個(gè)芯片的容量增加，集成度提高。同時(shí)，3D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)而用于芯片的封裝。但3D立體封裝由于芯片堆疊層數(shù)多，要求芯片厚度非常小，因而要求減薄后的硅片具有高面型精度、無(wú)表面/亞表面損傷。目前，隨著硅片直徑的增大和超精密磨削減薄技術(shù)的發(fā)展，硅片減薄技術(shù)面臨著翹曲、變形、彎曲、加工效率低等問(wèn)題，這些問(wèn)題的存在將影響著IC集成電路的快速發(fā)展。

硅片的背面減薄加工主要采取旋轉(zhuǎn)磨削方法，此過(guò)程產(chǎn)生的磨屑需通過(guò)砂輪表面的氣孔容納。如果不能及時(shí)處理磨屑，其會(huì)劃傷硅片表面，導(dǎo)致粗糙度值過(guò)大，影響硅片的表面質(zhì)量，甚至可能會(huì)降低硅片強(qiáng)度進(jìn)而使芯片破碎失效[1]。為實(shí)現(xiàn)硅片的高效低損傷磨削，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)硅片磨削工藝參數(shù)進(jìn)行了深入研究[2]。張銀霞等[3-6]研究了硅片旋轉(zhuǎn)磨削過(guò)程中的各因素對(duì)表面損傷深度分布規(guī)律及磨削參數(shù)對(duì)亞表面損傷深度的影響，結(jié)果表明采用硅片旋轉(zhuǎn)的垂直深進(jìn)給加工方式可以降低硅片最終的表面損傷層；葉恒[7]研究了碳酸氫鈉造孔劑對(duì)砂輪性能的影響以及砂輪磨削后硅片表面質(zhì)量的變化，結(jié)果表明氣孔率可以提高砂輪的容屑能力，改善硅片表面質(zhì)量；李克華[8]研究了陶瓷結(jié)合劑對(duì)硅片納米級(jí)磨削的影響，結(jié)果表明陶瓷結(jié)合劑多孔結(jié)構(gòu)砂輪可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)硅片表面的納米光潔度。然而，關(guān)于造孔劑含量對(duì)樹脂結(jié)合劑硅片減薄砂輪性能影響的研究鮮少見報(bào)道。

為推動(dòng)硅片減薄砂輪制造技術(shù)發(fā)展，我們將高分子材質(zhì)的造孔劑引入到硅片減薄用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪中，并探索造孔劑含量對(duì)砂輪磨削性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)條件與過(guò)程

1.1 樣品試制

樹脂結(jié)合劑金剛石硅片減薄砂輪主要用樹脂、碳化硅、碳酸鈣等原料做結(jié)合劑，金剛石微粉做磨料，高分子結(jié)構(gòu)的空心球做造孔劑，在200 ℃下熱壓成型。

用于體積密度和SEM檢測(cè)的試樣尺寸為25 mm×7 mm×3.5 mm，其配方如表1所示。

表1 測(cè)量體積密度和SEM檢測(cè)的試樣配方Table 1 Prescription of samples for measuring volume density and SEM scanning electron microscopy

其中，造孔劑為堿石灰硼硅酸鹽玻璃空心球，球的空心部分由一種受熱可膨脹的氣體組成，初始造孔劑孔徑約5～20 μm，在特定的壓制溫度條件下，造孔劑受熱膨脹，可膨脹成直徑80～300 μm的空心球；且造孔劑的高分子外殼可以與樹脂融為一體。

制作硅片減薄砂輪成品時(shí)，混料工藝與試樣相同，砂輪規(guī)格代號(hào)為1A8，成型出來(lái)的圓環(huán)均等切割28塊后進(jìn)行粘接。粘接后的硅片減薄砂輪成品如圖1所示。

圖1 硅片減薄砂輪成品

1.2 體積密度檢測(cè)

用排水法測(cè)量試樣條的體積密度。每次測(cè)3塊試樣，取平均值。

1.3 形貌觀察

用掃描電鏡(型號(hào)INSPECT S50)觀察試樣的斷口形貌，主要觀察氣孔率的分布、孔徑和孔型。

1.4 磨削實(shí)驗(yàn)

在DISCO DFG840磨床上用制備的樹脂結(jié)合劑砂輪進(jìn)行硅片減薄磨削實(shí)驗(yàn)，被加工工件是φ200 mm單晶晶向(100)的硅片，磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 磨削實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)Table 2 Grinding experimental parameters

2 結(jié)果與討論

根據(jù)表1配方制備砂輪，用排水法測(cè)量的砂輪體積密度結(jié)果如圖2示。從圖2以看出：1-1體積密度最大，氣孔率最小，3-2體積密度最小，氣孔率最大。

2.1 不同造孔劑含量對(duì)砂輪微觀結(jié)構(gòu)的影響

為研究造孔劑含量對(duì)樹脂結(jié)合劑硅片減薄砂輪結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，根據(jù)表1設(shè)計(jì)的配方分別壓制成型了6種砂輪。圖3所示為6款砂輪斷口處的SEM微觀形貌圖。

圖2 砂輪的體積密度

(a)1-1(b)1-2(c)2-1(d)2-2(e)3-1(f)3-2圖3 砂輪斷口SEM微觀形貌圖Fig. 3 SEM of micro-topographic diagram of grinding wheel fracture

由圖3可知：隨造孔劑體積分?jǐn)?shù)從5.0%增加到15.0%，砂輪內(nèi)部孔隙率增大；隨投料比例從100%減少至75%時(shí)，氣孔率增加。這是因?yàn)殡m然具有同體積分?jǐn)?shù)的造孔劑，但是砂輪投料比例只有75%時(shí)，留有25%的體積空間，未膨脹的造孔劑可以在多余的25%空間內(nèi)進(jìn)行繼續(xù)膨脹或形成新的氣孔。

2.2 不同造孔劑含量的硅片減薄砂輪磨削性能對(duì)比

圖4所示為不同砂輪減薄加工后的硅片的外觀效果。由圖4可知：在單晶硅片減薄磨削過(guò)程中，隨砂輪中造孔劑含量增加，磨削后的硅片亮度先提高后降低；相同配方時(shí)，75%體積比例投料的硅片減薄砂輪磨削后的硅片亮度比100%體積比例投料的砂輪磨削的硅片亮度高。這是因?yàn)椋涸炜讋┖枯^少時(shí)(1號(hào)砂輪)，樹脂結(jié)合劑緊密包裹磨料表面[5]，氣孔率低且磨料不易脫落，容屑和散熱效果較差，導(dǎo)致硅片表面亮度不夠；造孔劑含量過(guò)高時(shí)(3號(hào)砂輪)，樹脂結(jié)合劑對(duì)磨料的把持力小，磨粒脫落過(guò)快，無(wú)法保證砂輪的鋒利度，造成磨削后硅片亮度較低。

圖5所示為1-2、2-2和3-2砂輪減薄8寸硅片的表面磨紋SEM圖。由圖5可看出：2-2砂輪磨削后的硅片表面基本看不到磨紋，無(wú)明顯缺陷；1-2砂輪磨削后的硅片表面有明顯亮線和缺陷；3-2砂輪磨削后的硅片表面無(wú)明顯缺陷，但有清晰的磨削紋路。結(jié)合圖4和圖5可知：2-2砂輪的磨削性能較其他砂輪的性能更好。

2.3 不同造孔劑含量硅片減薄砂輪磨削硅片后的表面粗糙度

檢測(cè)不同砂輪減薄后硅片的粗糙度Ra、Rz和Ry，其結(jié)果如圖6所示。Rz為在取樣長(zhǎng)度L內(nèi)，5個(gè)最大的輪廓峰高的平均值與5個(gè)最大的輪廓谷深的平均值之和；Ry為在取樣長(zhǎng)度L內(nèi)輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離。

由圖6可以看出：1-2，2-2和3-2砂輪磨削后，硅片表面粗糙度Ra相差不大；1-2砂輪磨削后硅片的Rz和Ry波動(dòng)范圍略大；3-2砂輪磨削后硅片的Ry、Rz的波動(dòng)范圍最小，說(shuō)明硅片表面輪廓的峰頂和谷底之間差距小，無(wú)較深磨痕且磨痕數(shù)量少、深度波動(dòng)小。

綜上所述，2-2砂輪磨削出來(lái)的硅片表面質(zhì)量一致性好。

3 結(jié)論

通過(guò)向樹脂結(jié)合劑硅片減薄砂輪中加入不同體積分?jǐn)?shù)的造孔劑，進(jìn)行了體積密度測(cè)定、硅片表面磨紋SEM檢測(cè)、硅片表面哈量粗糙度值檢測(cè)，得出以下結(jié)論：

(1)可以通過(guò)降低投料比提高砂輪內(nèi)部的氣孔率。相同造孔劑添加量時(shí)，投料比75%的砂輪比投料比100%的砂輪具有更好的加工效果，減薄后的硅片亮度更高。

(2)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)最佳條件的砂輪配方為造孔劑體積分?jǐn)?shù)10%、投料比75%。此時(shí)，磨削后硅片的表面粗糙度Ra、Rz和Ry的波動(dòng)范圍小，硅片表面一致性好。