一種半導(dǎo)體研磨技術(shù)的應(yīng)用

周明峰，田嬌，胡苗

一種半導(dǎo)體研磨技術(shù)的應(yīng)用

周明峰1，田嬌1，胡苗2

（1.臨沂科技職業(yè)學(xué)院，山東 臨沂 276025；2.淄博市淄川區(qū)工業(yè)和信息化局，山東 淄博 255100）

文章介紹了一種半導(dǎo)體硅片研磨技術(shù)和半導(dǎo)體研磨技術(shù)的路線，對半導(dǎo)體研磨技術(shù)路線和具體實施方案做了簡單介紹，對研磨過程中壓力的精確控制、上盤調(diào)心、靜壓主軸控制原理、厚度測量、研磨盤修正等關(guān)鍵技術(shù)及其主要零部件做了重點介紹。并展望半導(dǎo)體研磨技術(shù)高精度、高穩(wěn)定性、高自動化和大尺寸的未來發(fā)展趨勢，指出半導(dǎo)體研磨磨削工藝的必要性和顯著優(yōu)勢。

半導(dǎo)體；研磨；研磨技術(shù)

前言

研磨是利用磨料顆粒，通過研具與工件在一定壓力下的相對運動對加工表面進(jìn)行的精整加工。具有加工質(zhì)量可靠、加工設(shè)備簡單和可以加工任何固態(tài)材料的優(yōu)點。例如：可加工各種鋼、淬硬鋼、鑄鐵、銅鋁及其合金、硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃及某些塑料制品等。隨著工業(yè)產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，其性能要求日益提高，研磨加工成為工業(yè)產(chǎn)品精密加工的必要手段。隨著光電技術(shù)的迅速發(fā)展，光學(xué)零部件的精度要求不斷提高，研磨技術(shù)能夠滿足光學(xué)加工的精度和質(zhì)量要求，起到不可替代的作用。

2018年到2020年國內(nèi)大硅片基地陸續(xù)投入建設(shè)，由于受國際貿(mào)易復(fù)雜化的影響，國內(nèi)大硅片快速國產(chǎn)化，半導(dǎo)體國產(chǎn)化的重點和難點在于設(shè)備國產(chǎn)化，截至目前8英寸以上硅片出貨產(chǎn)能國內(nèi)占有率不足10%，12英寸以上幾乎為零，設(shè)備端占有率主要以日本、美國及歐洲國家為主。半導(dǎo)體行業(yè)是國家重點發(fā)展的行業(yè)，技術(shù)國產(chǎn)化是整個行業(yè)最大的趨勢，研磨工序是半導(dǎo)體硅片加工的關(guān)鍵步驟，是國內(nèi)在該領(lǐng)域亟待破解的核心技術(shù)，以此打破行業(yè)壁壘，提高行業(yè)競爭力。

1 半導(dǎo)體硅片研磨原理

硅片研磨是磨料對硅片表面的切割、活性物質(zhì)的化學(xué)作用及工件表面擠壓變形等綜合作用的結(jié)果。如圖1所示研磨液在研具和自身流量壓力作用下，在工件和研具之間連續(xù)流動，研磨液中有一定密度的游離磨料磨粒，附著和壓嵌在研具表面，在研具與硅片的所形成的一定壓力下相對運動，對硅片表層起到滾軋及微切削作用，并在研磨液的潤滑、乳化等化學(xué)作用下，切除工件表面上極小的切屑，從而使工件獲得高的尺寸精度和幾何形狀精度。

圖1 研磨加工模型圖

2 半導(dǎo)體硅片研磨技術(shù)路線

（1）采用的技術(shù)方案。

為了去除硅片表面的切片刀痕、凸起和切割損傷層，減小同一批硅片的片與片之間的厚度誤差，讓每片硅片的厚度保持一定的均勻性，提高硅片表面的平整度，特制定雙面研磨方案。

如圖2中被磨削硅片將放置在下研磨盤上，游星輪進(jìn)行自傳的同時帶動研磨盤公轉(zhuǎn)，下研磨盤與上研磨盤轉(zhuǎn)動方向相反，在研磨過程中注入研磨液，利用上下兩研磨盤的反方向轉(zhuǎn)動來進(jìn)行硅片的研磨。

圖2 雙面研磨示意圖

（2）具體實施方案。

1）下研磨盤主軸采用液壓軸承支承，運轉(zhuǎn)精度高，該軸承為復(fù)合流體軸承，利用壓力油實現(xiàn)潤滑。如圖3所示當(dāng)下盤主軸達(dá)到一定的回轉(zhuǎn)速度時，由于上下盤表面由于摩擦作用形成油楔，當(dāng)油楔壓力能夠克服運動件的重力時，將其托起。此時，上盤和下盤的表面被油液隔開，由原來的固體表面摩擦變?yōu)榧円后w摩擦，摩擦力減小，液體動壓力起支撐作用。

當(dāng)工況發(fā)生變化，由正常工作狀態(tài)變?yōu)橄卤P主軸啟動、停車時，由于主軸的速度較低，上下盤間形成的油楔無法承載，此時采用油泵供油，提供的潤滑油在壓力作用下，克服研磨盤組件的重力和上盤系統(tǒng)的壓力，形成靜壓，使軸承仍然有很大的承載能力。油膜利用其良好的承載能力和強(qiáng)大的吸振能力，有效提高下研磨盤的運轉(zhuǎn)精度。

在動壓油腔的設(shè)計上采用單向結(jié)構(gòu)，不再采用大錐面結(jié)構(gòu)，而改用大平面結(jié)構(gòu)，避免了因為、兩個方向的互相影響而造成的精度波動現(xiàn)象，提高了支撐穩(wěn)定性，將進(jìn)一步提高制造精度。

圖3 硅片放置示意圖

2）采用蝸桿蝸輪直聯(lián)傳動，縮短傳動鏈的傳動距離；蝸輪蝸桿副采用高精度高質(zhì)量傳動副，提高傳動精度和運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。太陽輪和下盤的驅(qū)動蝸桿動力來自于伺服電機(jī)通過皮帶傳遞。

3）采用封閉式傳動結(jié)構(gòu)，葉片飛濺潤滑，可以消除齒輪嚙合區(qū)因污漬引起的振動和磨損。飛濺的潤滑油還可以及時帶走蝸輪蝸桿接觸時產(chǎn)生的熱量，蝸桿軸肩處采用油封密封，保證密封的可靠性。

4）齒圈和太陽輪均采用絲杠螺母副自動升降，而且有獨立的升降系統(tǒng)，由電機(jī)通過減速箱帶動其運動，升降行程可調(diào)，此外必須設(shè)安全保護(hù)裝置。

5）主軸到液壓軸承的動力傳動系統(tǒng)采用自制的柔性傳遞系統(tǒng)，具有傳遞動力平穩(wěn)、吸收震動良好，減小主軸的軸向跳動和徑向跳動誤差，提高傳動精度和傳遞效率。

3 研磨關(guān)鍵技術(shù)

（1）壓力的精確控制。

PLC+PT+電氣比例閥+低摩擦氣缸實現(xiàn)高精度壓力控制，壓力控制精確，控制精度可達(dá)±1 kg，在研磨的不同階段設(shè)定不同的壓力值來保證硅片的高精度研磨，不產(chǎn)生損傷甚至碎片。

（2）上盤調(diào)心。

新型上盤調(diào)心裝置，利用關(guān)節(jié)軸承調(diào)心，旋轉(zhuǎn)與調(diào)心動作分離，最大保證了上下盤動態(tài)條件下的吻合度。

（3）靜壓主軸控制原理。

高精度平面流體軸承支撐，保證了軸承的較長壽命及良好的可靠性，主機(jī)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，精度高。

工作原理：如圖4所示，將具有一定壓力的潤滑油送到軸承的靜壓腔內(nèi)，形成具有壓力的潤滑油層，形成承載力承受外載荷。靜壓潤滑的軸承利用外界供給壓力油，形成承載油膜，起動力矩小，效率高。油膜剛性大，吸收性強(qiáng)，運行平穩(wěn)，精度高。軸承不磨損，壽命長，長期保持運轉(zhuǎn)精度。

（4）厚度測量。

在游星輪中放置水晶片，每盤放置一片，作為基準(zhǔn)片，研磨盤上安裝探針，研磨時根據(jù)脈沖反饋在線檢測厚度變化，到達(dá)目標(biāo)厚度時停止研磨。

1—運動件；2—軸承封油面；3—靜壓油腔；4—承導(dǎo)件；5—壓力補(bǔ)償元件；6—供油泵。

（5）研磨盤修正。

研磨盤的平整度對硅片研磨的成品比例影響較大，要想提高磨盤的表面精度和質(zhì)量，必須選用合適的工藝參數(shù)。減小修盤的次數(shù)和降低修盤時間，提高磨盤的使用率。

4 研磨技術(shù)未來發(fā)展趨勢

硅片研磨機(jī)的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在高精度、高穩(wěn)定性、高自動化程度和大尺寸四方面。

（1）高精度。硅片研磨精度的高低對后續(xù)環(huán)節(jié)的影響至關(guān)重要，TTV值要求小于等于1 μm，這使得研磨機(jī)必須保持自身在機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制等方面的高精度，才能滿足研磨精度要求。

（2）高穩(wěn)定性。隨著硅片的逐步加工，單個硅片的成本越來越高，研磨過程中的碎片、破損等問題都導(dǎo)致硅片的前期加工完全失效，這需要對設(shè)備自身穩(wěn)定性提出嚴(yán)苛要求，以保證設(shè)備的研磨硅片成品率。

（3）高自動化。由于研磨環(huán)境中充滿研磨液和硅粉，對人身健康有一定影響。高程度的自動化設(shè)備可有效讓人類避免此類問題，可使人類不直接與研磨環(huán)境接觸，不會有吸入硅粉和接觸研磨液等。同時高程度自動化可有效降低人工成本，也就降低硅片的加工生產(chǎn)成本。

（4）大尺寸。硅片尺寸越大，單個硅片上可制造的芯片數(shù)量則越多，市場中大尺寸硅片已經(jīng)成主要發(fā)展趨勢。由此決定了加工硅片的研磨機(jī)需滿足大尺寸硅片的研磨需求，市場12英寸研磨機(jī)的研制已占據(jù)絕對發(fā)展優(yōu)勢。

5 結(jié)語

本文介紹半導(dǎo)體研磨技術(shù)和半導(dǎo)體研磨技術(shù)的路線，重點說明了研磨關(guān)鍵技術(shù)及其主要零部件。指出半導(dǎo)體研磨磨削工藝的必要性和顯著優(yōu)勢。我國硅片的發(fā)展起步比較晚，目前缺乏擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的大尺寸硅片超精密研磨技術(shù)。比如：直徑大于300 mm硅片的超精密磨削技術(shù)及設(shè)備。對于該類設(shè)備，一般是直接從國外進(jìn)口，依賴性比較高。對于設(shè)備后期的維修和保養(yǎng)所需的零部件以及耗材也是依賴國外進(jìn)口。本文所描述的半導(dǎo)體研磨技術(shù)必將打破國外行業(yè)壁壘，填補(bǔ)行業(yè)空白，必定會取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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Application of a Semiconductor Silicon Wafer Grinding Technology

ZHOU Mingfeng1, TIAN Jiao1, HU Miao2

( 1.Linyi Vocational University of Science and Technology, Shandong Linyi 276025;2.Bureau of Industry and Information Technology of Zibo, Shandong Zibo 255100 )

The thesis introduces a semiconductor wafer polishing technology and semiconductor polishing technology route, briefly introduces the semiconductor polishing technology route and specific implemen- tation plan, and the precise control of the pressure during the polishing process, the centering of the upper plate, and the control principle of the hydrostatic spindle the key technologies and their main components such as thickness measurement, grinding disc correction, etc., are introduced emphatically. Looking forward to the future development trend of semiconductor grinding technology with high precision, high stability, high automation and large size, it points out the necessity and significant advantages of semicon- ductor grinding and grinding technology.

Semiconductor;Grind;Grinding machine

TG580.68

A

1671-7988(2021)24-118-03

TG582.68

A

1671-7988(2021)24-118-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.027

周明峰，就職于臨沂科技職業(yè)學(xué)院。