大尺寸硅片磨削平整化理論與工藝技術的研究.pdf

1、隨著集成電路(IC)制造技術的飛速發(fā)展，為了提高IC集成度，IC的特征線寬不斷減??；另一方面，為了增大IC芯片產量，降低單元制造成本，硅片趨向大直徑化。隨著硅片直徑增大，為了保證硅片具有足夠的強度，硅片的厚度也相應增加；與此相反，為滿足先進IC芯片封裝技術需要，芯片的厚度越來越薄。這些變化使硅片平整化加工面臨許多突出的技術問題：IC特征線寬減小，對硅片加工精度和表面質量提出很高的要求；硅片直徑增大后，加工中容易翹曲變形，加工面型精度不易

2、保證；硅片厚度增大以及芯片厚度減小，使硅片背面減薄加工的材料去除量增大，提高加工效率成為一個亟待解決的問題。因此，采用固結磨料砂輪的超精密磨削技術正在取代傳統(tǒng)的研磨技術成為硅片超精密平整化加工技術的主流發(fā)展方向，其中最有代表性的硅片自旋轉磨削方法被認為是大尺寸硅片磨削平整化加工的理想方法。盡管，硅片自旋轉磨削技術已在大直徑硅片的制備、有電路硅片的背面減薄以及廢舊硅片的回收加工中得到應用，但是，如何進一步提高硅片加工表面層質量、面型精度和

3、加工效率仍然是目前急需解決的主要問題。所以，必須針對這些問題深入系統(tǒng)地研究硅片自旋轉磨削平整化理論和關鍵工藝技術。 本文建立了硅片自旋轉磨削的運動學理論模型，并通過分析砂輪與硅片之間的相對運動，給出了硅片自旋轉磨削的運動軌跡參數(shù)方程；通過引入節(jié)點和節(jié)圓等概念，并在運動幾何學的基礎上推導了磨紋長度、數(shù)量以及磨削穩(wěn)定周期公式；分析了磨紋間距、密度與磨削表面質量的關系；在 Windows2000/XP 平臺上，開發(fā)了硅片自旋轉磨削的磨

4、削紋理仿真軟件，對幾種典型速比下的硅片磨削紋理及其對表面質量的影響進行了預測和理論分析，并通過硅片磨削實驗，對仿真和理論分析結果進行了試驗驗證；通過理論和試驗研究，從運動學角度，提出提高磨削表面質量的工藝措施。 綜合考慮硅片自旋轉磨削時硅片夾持系統(tǒng)中真空吸盤修整參數(shù)以及硅片磨削參數(shù)等多種因素，建立了硅片面型的理論模型；在此模型的基礎上，推導了硅片磨削面型的方程以及表征硅片面型精度的重要指標一硅片總厚度變化(Total Thick

5、ness Variation，TTV)的計算公式；應用VC++6.0 編程技術和OpenGL三維圖形庫開發(fā)了磨削面型仿真軟件，對真空吸盤修整面型以及硅片磨削面型進行了計算機仿真和預測，分析了真空吸盤修整面型、砂輪轉速、工作臺轉速、砂輪軸向進給速率、磨床砂輪主軸擺動角和偏擺角等因素對硅片磨削面型的影響規(guī)律，并以VG401型超精密磨床為試驗平臺對硅片磨削面型的仿真預測結果和理論分析結果進行了磨削試驗驗證。 提出了利用軟磨料砂輪低損傷

6、磨削加工硅片的新方法；研制出了通過釋放填充料提供良好加工環(huán)境的高自銳性的＃3000二氧化鈰軟磨料砂輪，并設計了用于硅片自旋轉磨削的可拆卸互換式砂輪結構；研究了軟磨料砂輪的低成本制備方法和修整方法，開發(fā)了砂輪的修整工具。進行軟磨料砂輪的干式和濕式磨削試驗，應用 XPS 檢測磨削后硅片表面的成份，分析砂輪磨料和填充料與硅片之間的化學反應，揭示了軟磨料砂輪磨削硅片時利用化學機械復合作用的材料去除機理。進行了軟磨料砂輪磨削性能試驗，利用AFM、

7、SEM、TEM 等儀器檢測表面粗糙度、表面形貌、表面缺陷和表面層損傷，試驗表明，軟磨料砂輪磨削不僅能夠保證硅片加工精度，加工成本低，而且磨削后的硅片表面經(jīng)檢測未發(fā)現(xiàn)劃痕，硅片亞表面未發(fā)現(xiàn)微裂紋和位錯。以兼顧加工效率和表面質量為目標，提出了采用＃325和＃2000金剛石砂輪以及＃3000軟磨料砂輪，利用硅片自旋轉磨床，分別進行粗磨、精磨和低損傷磨削的硅片超精密平整化加工工藝方案。針對粗磨、精磨和低損傷磨削加工，選擇砂輪轉速、硅片轉速、砂輪