細(xì)粒度金剛石砂輪超精密磨削硅片的表面質(zhì)量

王紫光 劉金鑫 尹 劍 周 平 沙智華 康仁科

1.大連交通大學(xué)遼寧省復(fù)雜零件精密制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連，116028 2.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連，116023

0 引言

單晶硅是集成電路制造過程中重要的半導(dǎo)體材料，它具有優(yōu)良的電學(xué)性能和力學(xué)性能，是典型的硬脆材料[1-5]。隨著氧化、濺射和光刻等技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)單晶硅表面質(zhì)量表面和面形精度的要求越來越高[6-7]。工件旋轉(zhuǎn)法超精密磨削加工單晶硅具有加工質(zhì)量高、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在集成電路制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。工件旋轉(zhuǎn)法超精密磨削硅片的加工包含粗磨和精磨，其中，粗磨主要使用600目以下的金剛石砂輪，精磨主要使用2000目以上的金剛石砂輪。金剛石砂輪磨削硅片的材料去除是磨粒的單一機(jī)械作用，一定會(huì)在硅片的加工表面和亞表面產(chǎn)生磨痕、裂紋和位錯(cuò)等缺陷，需要通過其他的損傷去除工藝如化學(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polishing，CMP)加工，才能獲得超光滑無損傷的表面，滿足后續(xù)芯片制造工藝的要求。CMP加工效率低，因此提高硅片磨削加工的表面質(zhì)量能直接縮短CMP加工時(shí)間，還能避免CMP加工時(shí)間過長導(dǎo)致的硅片表面總厚度偏差(total thickness variation，TTV)惡化。提高金剛石砂輪目數(shù)是提高硅片磨削加工表面質(zhì)量的一個(gè)直接、有效的方法。隨著砂輪目數(shù)的增大，硅片表面的磨削加工質(zhì)量明顯提高，但砂輪的磨削性能降低，容易出現(xiàn)砂輪燒傷、堵塞和硅片表面燒傷等缺陷，制約了細(xì)粒度金剛石砂輪的使用和發(fā)展。因此，深入研究細(xì)粒度金剛石砂輪磨削硅片的性能具有重要意義。

在細(xì)粒度金剛石砂輪磨削硅片性能的研究領(lǐng)域，OHMORI等[8-9]利用電解在線砂輪修整(electrolytic in-process dressing，ELID)技術(shù)研究了金屬結(jié)合劑細(xì)粒度金剛石砂輪磨削硅片，在恒壓力磨削條件下獲得了粗糙度Ra約0.3 nm的磨削表面。ZHANG等[10-11]研究了樹脂結(jié)合劑細(xì)粒度金剛石砂輪，并進(jìn)行了硅片磨削試驗(yàn)，硅片磨削后的表面粗糙度Ra約為1 nm，亞表面損傷深度小于100 nm。HUO等[12]研究了一種陶瓷結(jié)合劑細(xì)粒度金剛石砂輪并進(jìn)行了硅片的磨削試驗(yàn)，獲得了表面粗糙度Ra約2 nm、亞表面損傷深度小于100 nm的硅片磨削表面。金屬結(jié)合劑細(xì)粒度金剛石砂輪在磨削硅片時(shí)必須依靠ELID技術(shù)，采用該技術(shù)的設(shè)備復(fù)雜，且磨削過程中砂輪自銳下來的磨粒和加工碎屑易劃傷已加工表面[13]，因此在硅片的超精密磨削加工中很少應(yīng)用。樹脂自身的耐熱性和導(dǎo)熱性較差，難以實(shí)現(xiàn)高氣孔率，導(dǎo)致樹脂結(jié)合劑細(xì)粒度金剛石砂輪磨削加工硅片的過程中容易燒傷砂輪和硅片，不僅連續(xù)磨削能力差，砂輪還容易堵塞，因此應(yīng)用越來越少[14-17]。陶瓷結(jié)合劑細(xì)粒度金剛石砂輪自銳性好，結(jié)合劑導(dǎo)熱性高、耐高溫，廣泛用于硅片的磨削加工。砂輪目數(shù)增大能提高硅片磨削表面質(zhì)量，但會(huì)降低加工效率，導(dǎo)致工件燒傷、磨削工藝不穩(wěn)定等問題[13，15]。

綜上所述，采用陶瓷結(jié)合劑細(xì)粒度金剛石砂輪超精密磨削硅片，既能保證硅片表面的加工質(zhì)量，還能保證磨削工藝的穩(wěn)定性。為此，本文通過分析5000目、8000目、30 000目陶瓷結(jié)合劑細(xì)粒度金剛石砂輪磨削硅片的表面粗糙度和亞表面損傷深度，以及磨削過程中磨床的砂輪主軸電機(jī)電流，研究了陶瓷結(jié)合劑細(xì)粒度金剛石砂輪超精密磨削硅片的表面質(zhì)量。

1 試驗(yàn)方法

1.1 工件旋轉(zhuǎn)法超精密磨削的原理

圖1為工件旋轉(zhuǎn)法超精密磨削硅片的原理示意圖。超精密磨削過程中，硅片和砂輪繞各自主軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，砂輪沿軸線向工件移動(dòng)(進(jìn)給運(yùn)動(dòng))，從而完成加工。為減小磨削力和磨削熱，實(shí)際磨削過程中可通過調(diào)整砂輪主軸的傾角，使砂輪主軸和工件主軸之間形成一個(gè)微小角度，以減小砂輪與工件的接觸面積，如圖1所示，砂輪與硅片表面形成半弧接觸。該調(diào)整方法能夠控制硅片的加工面形，但不會(huì)影響硅片的TTV[18-20]。

圖1 工件旋轉(zhuǎn)法超精密磨削硅片的原理Fig.1 Workpiece rotary grinding method

1.2 超精密磨削硅片的磨粒切削深度模型

工件旋轉(zhuǎn)法超精密磨削硅片的塑性域磨削磨粒切削深度為

(1)

式中，η為等效磨粒刃圓半徑系數(shù)；R為磨粒半徑；vf為砂輪進(jìn)給速度；r為工件表面的徑向位置；ns為工件轉(zhuǎn)速；K為等效有效磨粒數(shù)影響系數(shù)；βc為砂輪磨削工件時(shí)考慮磨粒重疊的因子；L為磨料層長度；W為磨料層寬度；Vf為磨料的體積分?jǐn)?shù)；nt為砂輪轉(zhuǎn)速；dmin為磨粒最小切削深度。

分析式(1)可知，磨粒半徑直接影響磨粒切削深度，而磨粒切削深度對(duì)磨削工件表面粗糙度Ra有直接影響，即[18，21]

Ra=0.396(1-φ)dg

(2)

其中，φ為磨粒的重疊系數(shù)，取0.096[22]。分析式(2)可知，磨粒切削深度越小，Ra越小。結(jié)合式(1)可知，減小磨粒尺寸是提高硅片磨削粗糙度Ra的有效方法，而砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等加工參數(shù)對(duì)硅片磨削表面粗糙度Ra的影響相對(duì)較小。

1.3 超精密磨削硅片的磨削力

工件旋轉(zhuǎn)法超精密磨削加工時(shí)，工件和砂輪均繞著各自主軸旋轉(zhuǎn)，不易對(duì)磨削力進(jìn)行測(cè)量，而硅片磨床能反饋砂輪主軸電機(jī)的電流，從而反映砂輪主軸在磨削過程中產(chǎn)生的扭矩，因此通過分析磨削過程中的主軸扭矩可間接分析磨削力[23]。

1.4 試驗(yàn)條件

磨削試驗(yàn)在基于工件旋轉(zhuǎn)法超精密磨削原理的磨床(VG-401 MK II，Okamoto)上進(jìn)行，如圖2所示。該磨床采用連續(xù)進(jìn)給方式，最小進(jìn)給速度為1 μm/min，分別采用定制的8000目、5000目、30 000目陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪(SD，Asahi；直徑為350 mm，寬度為3 mm)。磨削試樣為商用φ200 mm × 775 μm的(100)單面拋光硅片(P型，有研新材)。硅片磨削的參數(shù)如表1所示。

圖2 超精密磨床Fig.2 Ultra-precision grinding machine

表1 硅片磨削參數(shù)Tab.1 Silicon ultra-precision grinding conditions

硅片磨削表面微觀形貌采用掃描電子顯微鏡(Quanta Q45，F(xiàn)EI)檢測(cè)。硅片磨削表面三維形貌及其表面輪廓數(shù)據(jù)采用原子力顯微鏡(Park systems，XE200)測(cè)量。硅片磨削后亞表面損傷層的微觀結(jié)構(gòu)特征由透射電子顯微鏡(Tecnai G220 S-Twin，F(xiàn)EI)表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅片磨削加工的表面損傷

不同粒度金剛石砂輪磨削硅片的表面粗糙度Ra、表面微觀三維形貌及其截面輪廓如圖3～圖5所示。砂輪粒度從5000目變?yōu)?0 000目時(shí)，硅片磨削后的表面粗糙度Ra從15 nm減小至5.3 nm。

圖3 不同粒度金剛石砂輪磨削硅片的表面粗糙度Fig.3 The surface roughness of silicon ground by different granularity of grinding wheels

(a)5000目金剛石

(b)8000目金剛石

(c)30 000目金剛石圖4 不同粒度金剛石砂輪磨削硅片的表面微觀三維形貌Fig.4 Microscopic 3D morphology of silicon ground by different granularity of grinding wheels

(a)5000目金剛石砂輪磨削結(jié)果

(b)8000目金剛石砂輪磨削結(jié)果

(c)30 000目金剛石砂輪磨削結(jié)果圖5 不同粒度金剛石砂輪磨削硅片表面的截面輪廓Fig.5 Section profile of silicon ground by different granularity of grinding wheels

由式(2)計(jì)算出的5000目砂輪磨削的硅片表面粗糙度Ra為12 nm，8000目砂輪為8 nm，30 000目砂輪為2 nm。這與測(cè)量結(jié)果有一定的誤差，誤差產(chǎn)生的主要原因是磨粒切削深度模型(式(1))基于一定的假設(shè)條件，即沒有考慮加工過程中砂輪與工件的實(shí)際接觸面積，并忽略磨削熱的影響[18，22-23]。試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果均表明，隨著磨粒粒徑的減小，磨粒切削深度和硅片的磨削表面粗糙度均減小。8000目、30 000目金剛石砂輪磨削的硅片表面粗糙度Ra接近，這表明提高砂輪的目數(shù)并不能顯著減小硅片磨削表面的粗糙度。砂輪粒度為30 000目時(shí)，磨粒會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致磨粒切削深度增大，因此磨削后的硅片表面粗糙度減小不明顯[12]。

分析硅片磨削后的表面微觀三維形貌可知，金剛石砂輪磨削后的硅片表面有明顯的劃痕，并且劃痕兩側(cè)有材料堆積和隆起，這表明硅片表面材料的去除方式是磨粒的劃擦作用引起材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)，從而形成材料去除。

由圖5所示的硅片磨削表面微觀形貌的截面輪廓可知，砂輪粒度變?yōu)?0 000目時(shí)，硅片磨削表面的峰谷(peak and valley，PV)值減小。對(duì)圖5所示的截面輪廓進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖6所示。隨著砂輪粒度的增大，硅片磨削表面形貌截面輪廓的頻率成分變化明顯，頻率成分越少越有利于后續(xù)的CMP加工。

(a)5000目金剛石砂輪

(b)8000目金剛石砂輪

(c)30 000目金剛石砂輪圖6 不同粒度金剛石砂輪磨削硅片表面的截面輪廓頻譜Fig.6 Frequency spectrum for section profile of silicon ground by different granularity of grinding wheels

為進(jìn)一步分析細(xì)粒度金剛石砂輪磨削硅片的表面形貌，采用掃描電子顯微鏡對(duì)砂輪磨削后的硅片表面形貌進(jìn)行觀察。由圖7可以發(fā)現(xiàn)，5000目、8000目和30 000目砂輪去除硅片表面材料的方式均為塑性去除，且表面未發(fā)現(xiàn)破碎、斷裂。砂輪粒度從5000目變?yōu)?0 000目時(shí)，硅片表面的磨削痕跡越來越淺。放大20 000倍的觀察條件下，30 000目砂輪磨削的硅片表面磨痕清晰可見，硅片表面磨痕的兩側(cè)粘結(jié)有零碎的磨屑。隨砂輪目數(shù)的增大，磨屑明顯增多、尺寸變小。砂輪目數(shù)增大，金剛石磨料的粒徑減小，導(dǎo)致磨粒切削深度變小，磨屑尺寸變小，使得磨屑與劃痕兩側(cè)隆起材料之間的粘結(jié)能力降低，所以5000目砂輪磨削的硅片表面劃痕兩側(cè)還粘接著尺寸約2 μm的磨屑，并且表面脫落的磨屑很少；30 000目砂輪磨削的硅片表面存在較多尺寸小于1 μm、連接在劃痕兩側(cè)或附著在硅片表面的磨屑。結(jié)合圖4所示的硅片磨削表面三維形貌可知，這些磨屑在硅片表面凸起的尺寸較小，沒有對(duì)硅片的磨削表面粗糙度Ra產(chǎn)生影響。

(a)放大5000倍

(b)放大20 000倍圖7 不同粒度金剛石砂輪磨削硅片表面SEM檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Result of SEM measured for silicon surface of grinding by different granularity of grinding wheels

2.2 硅片磨削加工的亞表面損傷

圖8所示為透射電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)觀察的硅片亞表面。由圖8可知，5000目、8000目、30 000目砂輪磨削的硅片亞表面損傷深度分別為170 nm、152 nm和98 nm，損傷結(jié)構(gòu)中均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

(a)5000目

(b)8000目

(c)30 000目圖8 不同粒度金剛石砂輪磨削硅片亞表面損傷的TEM檢測(cè)結(jié)果Fig.8 Result of TEM measured for silicon subsurface damage of grinding by different granularity of grinding wheels

圖8還表明，即使砂輪粒度達(dá)到30 000目，硅片磨削后的亞表面損傷仍然存在損傷層，這是因?yàn)闊o論金剛石磨粒的尺寸多小，材料去除過程中磨粒與材料之間還存在機(jī)械作用。磨粒壓入和劃擦硅片表面時(shí)，磨粒與材料的接觸區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致材料產(chǎn)生損傷層[24-26]。

2.3 硅片磨削過程中的磨削力

PEI等[27]發(fā)現(xiàn)硅片磨削過程中的砂輪主軸電機(jī)電流能反映磨削力的變化。如表2所示，隨著砂輪目數(shù)從5000變?yōu)?0 000，磨床的砂輪主軸電機(jī)電流從7.4～7.5 A增加至7.8～8.0 A，電流增大間接說明磨削力變大。砂輪粒度從5000目變?yōu)?000目時(shí)，磨床的砂輪主軸電機(jī)電流增幅約為0.1～0.2 A；砂輪粒度從8000目變?yōu)?0 000目時(shí)的電流增幅約0.3～0.5 A，這表明砂輪粒度與磨床的砂輪主軸電機(jī)電流(磨削力)之間的關(guān)系并不是線性關(guān)系。對(duì)比5000目、8000目金剛石磨削硅片的表面粗糙度和亞表面損傷深度結(jié)果可知，8000目金剛石砂輪既能提高磨削質(zhì)量，又能保證磨削過程的穩(wěn)定性。

表2 磨削過程中的砂輪主軸電流Tab.2 Spindle current in grinding process

3 結(jié)論

(1)通過分析磨粒切削深度模型中磨粒粒徑和加工參數(shù)對(duì)磨粒切削深度的影響，并利用磨粒切削深度與表面粗糙度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，預(yù)測(cè)了金剛石砂輪磨削后的硅片表面粗糙度。5000目、8000目、30 000目金剛石砂輪磨削后的硅片表面粗糙度Ra預(yù)測(cè)值分別為12 nm、8 nm和2 nm，實(shí)測(cè)值分別為14 nm、7 nm和5 nm。金剛石砂輪磨削硅片的材料去除方式均為塑性去除，并且隨著砂輪粒度增大，硅片磨削表面形貌的頻率成分減少。5000目、8000目、30 000目金剛石砂輪磨削后的硅片亞表面損傷深度分別170 nm、152 nm和98 nm，亞表面損傷層結(jié)構(gòu)僅有非晶層和位錯(cuò)層。

(2)通過超精密磨床的砂輪主軸電機(jī)電流分析了5000目、8000目、30 000目金剛石砂輪磨削硅片過程中的磨削能力。在砂輪粒度從5000目變?yōu)?000目時(shí)，磨床砂輪主軸電機(jī)的電流增幅小，有利于砂輪的連續(xù)磨削，保證磨削過程的穩(wěn)定性，降低工件燒傷和砂輪堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，獲得硅片納米級(jí)表面粗糙度的加工表面，有利于縮短后續(xù)CMP加工時(shí)間。