金剛石砂輪磨削貼膜硅片崩邊的研究*

張 倩， 董志剛， 劉海軍， 王紫光， 康仁科， 閆 寧， 朱祥龍

(1. 大連理工大學, 精密與特種加工教育部重點試驗室， 遼寧 大連 116024) (2. 合肥工業(yè)大學 機械工程學院/現代集成制造與數控裝備研究所， 合肥 230009) (3. 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司， 鄭州 450001)

集成電路制造過程中應用最廣泛的襯底材料是單晶硅，隨著集成電路向高集成化和高密度化方向發(fā)展，對單晶硅片質量的要求也越來越高[1-2]。硅片直徑增大能有效減少硅片邊角的浪費，增加硅片出片率和降低集成電路成本；硅片厚度減小能有效減小硅片封裝體積；硅片表面/亞表面質量越好越能提高電子元器件性能[3-5]。工件旋轉法常用來獲得直徑最大化和厚度最薄化的單晶硅片，該方法采用樹脂結合劑金剛石砂輪磨削減薄硅片以獲得較高的磨削效率，較高的磨削精度以及較好的磨削質量[6]。然而，硅片直徑增大以及厚度減小會導致其減薄后容易產生崩邊、翹曲和碎片等現象，在制造、運輸和存儲過程中也比較容易破碎[6]。硅片崩邊是硅片碎片的主要原因之一，崩邊尺寸越大則在硅片邊緣處越容易產生應力集中現象而導致硅片碎片。關于硅片崩邊產生的原因以及崩邊的影響，GAO等[7]研究了硅片磨削減薄過程中崩邊現象產生的機理，以及不同參數對于硅片崩邊的影響，并給出在磨削過程中磨削參數的選用方案。

為了能夠有效減少硅片在制造、儲存和運輸過程中的碎片率，常采用硅片正面貼膜背面減薄的方法，該方法不僅能有效降低硅片的碎片率，還能保護硅片在磨削減薄過程中正面電路不受其他雜質地影響[8-9]。PEI等[8]發(fā)現硅片磨削減薄過程中在真空吸盤和硅片中間加軟墊能夠有效減小硅片波紋度，提高硅片的面形，降低硅片的碎片率。木端強等[9]研究了貼不同厚度的膜對磨削減薄后硅片TTV的影響，指出貼膜能夠有效降低硅片碎片率，且膜厚度越厚硅片表面TTV越小。國內外的研究說明貼膜在一定范圍內能夠提高硅片面形，獲得較好的TTV并降低硅片的碎片率，但崩邊作為影響硅片碎片的主要原因需要進一步研究。

研究硅片貼膜對崩邊的影響規(guī)律，可用于揭示貼膜對硅片磨削加工質量的影響機理。我們通過研究不同膜厚度對硅片崩邊的影響規(guī)律，研究崩邊尺寸沿硅片<110>晶向和<100>晶向的分布規(guī)律，從而反映貼膜對硅片加工質量的影響機理。

1 試驗設備及方法

硅片貼膜磨削減薄技術已經大量應用于集成電路制造過程中，其試驗裝置如圖1所示。將硅片具有電路的一面貼膜能夠有效地保護硅片正面電路，減少電路在減薄過程中的離子污染，優(yōu)化硅片磨削減薄的工藝流程，減少清洗流程，具有很強的實用價值。如圖1b所示，硅片貼膜磨削減薄采用的機床是基于工件旋轉磨削原理的VG401MK II型超精密磨床(Okamoto，日本)。硅片貼膜的機器如圖1c所示，該設備能夠對直徑為200 mm和300 mm的硅片進行貼膜。

磨削試驗采用磨粒粒度尺寸約為23 μm的金剛石砂輪，磨削試件為φ200 mm × 725 μm的單晶硅片。磨削試驗過程中使用的膜厚度為80 μm和160 μm，硅片減薄厚度為400 μm，磨削參數如表1所示。

表1 磨削參數Table 1 Grinding parameter

采用光學顯微鏡MX40(Olympus，日本)對減薄后的硅片進行崩邊觀測，如圖2所示。

使用AUTOCAD軟件測量硅片崩邊面積S和取樣長度L，崩邊尺寸采用平均崩邊寬度Wave來衡量，單個崩邊寬度W計算方式如公式(1)所示。磨削硅片上崩邊尺寸檢測點的取樣位置如圖2b所示，檢測位置1、3、5和7位于<110>晶向，檢測位置2、4、6和8位于<100>晶向，<100>與<110>晶向夾角為45°[6]。平均崩邊寬度Wave為這8個崩邊寬度的平均值。

W=S/L

(1)

2 結果與討論

2.1 貼膜減少硅片碎片

圖3為采用磨粒粒度尺寸約為23 μm的金剛石砂輪將初始尺寸為φ200 mm × 725 μm的單晶硅片減薄到100 μm的實物圖，圖3a中硅片未貼膜，圖3b中硅片貼膜厚度為160 μm。從圖3中可以看出：硅片從真空吸盤卸載時，圖3a中硅片由于裂紋擴展產生碎片，圖3b中硅片產生了較大的變形，但是沒有碎片。分析原因是采用工件旋轉法磨削減薄硅片時，硅片貼膜能夠抑制裂紋擴展。

2.2 貼膜對硅片崩邊尺寸的影響規(guī)律

崩邊尺寸是硅片在磨削減薄過程中碎片的主要原因之一，崩邊尺寸越大，硅片在加工、運輸和儲存過程中越容易產生碎片，因此，需要進一步研究貼膜對硅片崩邊尺寸的影響規(guī)律。如表2所示，采用磨粒粒度尺寸約為23 μm的金剛石砂輪將無膜、貼80 μm和120 μm不同厚度膜的硅片減薄到400 μm時，測量沿圖2b中周向8個位置點處的崩邊尺寸。

表2 貼不同厚度膜的硅片周向不同位置處崩邊尺寸Table 2 The value of edge chipping of silicon wafers with taping

圖4為3種貼膜厚度下減薄后硅片的平均崩邊寬度。從圖4中可看出：硅片崩邊尺寸隨著貼膜厚度從0 μm增加到80 μm再增加到160 μm時，呈現先增大后減小趨勢，平均崩邊寬度從3.08 μm增大到4.61 μm，再減小到3.60 μm。但貼膜后硅片崩邊尺寸均大于未貼膜硅片的。試驗結果表明，貼膜會增大硅片的崩邊尺寸，惡化硅片的邊緣情況，且膜越薄越容易惡化硅片的崩邊。但膜厚時惡化作用不明顯，僅比未貼膜的提高17%。

圖4 3種貼膜厚度減薄后硅片的平均崩邊尺寸

用單因素方差分析法[6]來比較表2所示的8個不同位置處崩邊尺寸的差異，分析硅片崩邊尺寸沿<110>晶向和<100>晶向的變化規(guī)律。表3為崩邊尺寸在硅片不同晶向的單因素方差分析表。由表3可知：在顯著性水平α = 0.05時，F值遠小于F0.05(2,16)，該結果表明，沿硅片檢測位置1、3、5和7的<110>晶向和檢測位置2、4、6和8的<100>晶向的崩邊尺寸沒有顯著差異。高尚等[6-7]研究發(fā)現，硅片在相同的磨削參數下，硅片崩邊尺寸只和硅片的最終厚度有關，其崩邊尺寸在硅片<110>和<100>晶向處基本相同，沒有明顯變化。該研究結果與本試驗結論相符。

表3 崩邊尺寸在硅片不同晶向的單因素方差分析表Table 3 Univariate analysis of variance of edge collapse sizes in different crystal directions of silicon wafers

貼膜厚度為0 μm，80 μm和160 μm的硅片在<110>晶向處的崩邊如圖5所示。從圖5可看出：硅片貼膜會使硅片的崩邊尺寸增大，導致硅片邊緣惡化，但膜越厚其惡化作用越小。綜上所述，在硅片貼膜磨削減薄過程中應選用較厚的膜來減少硅片的崩邊。

2.3 貼膜對硅片變形的影響

圖6為硅片未貼膜、貼膜厚度為80 μm時的變形情況。兩片硅片均用磨料粒度尺寸23 μm的樹脂結合劑金剛石砂輪減薄到180 μm后從真空吸盤上卸載，由于應力的釋放，硅片產生變形，貼膜硅片的變形程度明顯大于未貼膜硅片的。

高尚等[6-7]研究表明硅片變形增大會導致硅片亞表面損傷層殘余應力增大，進而導致硅片邊緣崩邊增大，其殘余應力與硅片變形量有如下關系：

(2)

其中：p為硅片亞表面損傷層殘余應力，w為硅片的變形量，E為硅片的彈性模量，t為硅片厚度，s為亞表面損傷層厚度，μ為硅的泊松比，r0為硅片半徑，r為硅片測量點半徑。

根據公式(2)，硅片變形量w和硅片表面殘余應力p成正比，隨著硅片變形量w增大，硅片損傷層的殘余應力p也增大，該現象直接導致硅片邊緣的崩邊尺寸增大。因此，硅片貼膜在一定程度上會惡化硅片的崩邊尺寸，并且膜越薄硅片崩邊尺寸越大，但可抑制硅片的裂紋擴展，減小硅片的碎片率。

3 結論

崩邊是減薄過程中引起硅片碎片的重要原因之一，且崩邊尺寸越大硅片越容易破碎。硅片貼膜磨削減薄能有效降低硅片碎片率，保護硅片正面電路，減少電路污染，優(yōu)化工藝流程等。磨粒粒度尺寸約23 μm的金剛石砂輪磨削減薄貼膜硅片時，在硅片<110>晶向和<100>晶向上崩邊尺寸無明顯差異；當硅片未貼膜時，硅片的平均崩邊尺寸為3.08 μm；當硅片貼膜厚度為80 μm和160 μm時，硅片的崩邊尺寸為4.61 μm和3.60 μm。即貼膜對硅片崩邊會產生負面影響，但用厚膜時該負面影響較小，惡化程度可控制在20%以內。硅片貼膜磨削減薄雖然已經大規(guī)模應用到集成電路制造中，但現階段貼膜對硅片加工質量的影響，如硅片表面形貌、表面粗糙度、亞表面損傷層和殘余應力的影響研究較少，可在后續(xù)工作中對此進行進一步研究。