[转帖]单晶硅片超精密磨削技术

asahi金刚石工具 · 发表于 2004-12-10 17:40:00

大尺寸硅片自旋转磨削的试验研究* EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON GRINDING OF LARGE SCALE WAFER ON A WAFER ROTATION GRINDING MACHINE 田业冰郭东明康仁科金洙吉 Tian Yebing Guo Dongming Kang Renke Jin Zhuji （大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁，大连，116024） (Key Laboratory for Dalian University of Technology Precision Non-traditional Machining of Ministry of Education, Dalian116024, P. R. China) 摘要：利用基于自旋转磨削原理的硅片超精密磨床，通过试验研究了砂轮粒度、砂轮转速、工件转速及砂轮进给速度等主要因素对材料去除率、砂轮主轴电机电流以及磨削后硅片表面粗糙度的影响关系。研究结果表明，增大砂轮轴向进给速度和减小工件转速，采用粗粒度砂轮有利于提高磨削硅片的材料去除率，砂轮轴向进给速度对材料去除率的影响最为显著；适当增大砂轮转速，减小砂轮轴向进给速度，采用细粒度砂轮可以减小磨削表面粗糙度；在其它条件一定的情况下，砂轮速度超过一定值会导致材料去除率减小，主轴电机电流急剧增大，表面粗糙度变差；采用比#2000粒度更细的砂轮磨削时，材料去除率减小，硅片表面粗糙度没有明显改善。关键词：硅片，金刚石砂轮，超精密磨削，集成电路中图分类号：TN304.1;TG58 文献标识码：A Abstract: By use of a wafer rotation grinding machine, the influence of the main process factors including the grit size of the diamond grinding wheel, the rotational speed of the wafer chuck table, the rotational speed and the down feed rate of the cup grinding wheel on the material removal rate, spindle motor current and wafer surface roughness in grinding of large size wafer are experimentally investigated. The results show that, increasing the feed rate of the grinding wheel, decreasing the rotational speed of the wafer chuck table and using the grinding wheel with coarser grit, the material removal rate in the wafer rotation grinding increase, the feed rate of the grinding wheel has greater influence on the material removal rate; suitably increasing the rotational speed of the grinding wheel, decreasing the feed rate of the grinding wheel and using the grinding wheel with finer grit, the wafer surface roughness can be reduced; there are the critical rotational speed of the grinding wheel (about 2300rpm) beyond which the material removal rate evidently decreases and the spindle motor current and wafer surface roughness steeply increase; when the grit of the grinding wheel is finer than #2000, the material removal rate decreases and the wafer surface roughness has a little improvement. Keywords: Silicon wafer, diamond grinding wheel, Ultra-precision grinding, IC

1、前言集成电路（IC）是现代*信息产业和信息社会的基础，IC的制造离不开高品质的衬底材料，目前全球90%以上的IC衬底材料都要采用硅片[1~2]。随着IC制造技术的飞速发展和IC芯片需求量的增大，为了增大产量和降低单元制造成本，硅片趋向大直径化。按照美国半导体工业协会（SIA）的微电子技术发展蓝图，硅片直径已从目前Ф200mm向Ф300mm发展，到2005年，Ф300mm（12 inches）硅片将成为主流产品，到2008年，将开始使用Ф450mm（18 inches）硅片。随着硅片直径的增大,为了保证硅片具有足够的强度，原始硅片（primary wafer）的厚度也相应增加，目前200mm直径硅片的平均厚度725micro;m，而300mm直径硅片平均厚度已增加到775micro;ｍ。与此相反，为满足IC芯片封装的需要，提高芯片的散热能力，芯片厚度（chip thickness）却不断减小。目前芯片厚度已减小到100 ~200micro;ｍ，智能卡生物芯片等最小厚度可达50micro;ｍ[3~4]。硅片和芯片尺寸的这些变化导致加工硅片时的材料去除体积增大，要求提高硅片的加工效率。同时，下一代的IC制造对硅片加工精度和表面质量提出很高的要求，要求Ф300mm（12 inches）硅片的面型精度达到亚微米级，表面粗糙度达到亚纳米级，无表面和亚表面损伤，无残余应力，具有高的机械强度等。因此，如何提高硅片的加工效率，又保证很高加工精度和表面质量，这对硅片的超精密加工技术提出了挑战。目前，超精密磨削被认为是最有发展前景的大尺寸硅片高效超精密加工技术，已经应用在IC制造过程中。在材料制备阶段，超精密磨削代替传统工艺中的研磨和腐蚀工序，进行光片(blank wafer)的超精密加工；在IC后道制程中，应用超精密磨削进行图形硅片（pattern wafer）的背面减薄 [5]。近年来，国内外学者已经在硅片磨削技术方面展开了不同程度地探索性研究。日本东京大学H.Ohmori等学者对砂轮在线电解修整（ELID）技术进行了大量研究，获得了硅片的镜面磨削 [6]。英国克兰菲尔德大学D.J.Stephenson教授探索了一种新型的四面体（Tetraform）‘C’型磨床，可以用于硅片的磨削加工[7]。美国堪萨斯州大学Z.J.Pei等学者试验研究了自旋转磨削的砂轮转速、工件转速及砂轮进给速度对磨削力、硅片面型精度、表面磨削纹路、表面粗糙度的影响，但是试验因素仅采用高低两个水平值，不能得出不同因素的影响规律[8]。国内燕山大学于栋利教授等进行了应用铸铁短纤维结合剂微米粒度金刚石砂轮进行在线电解修整(ELID)超精密磨削，研究了磨削工艺参数对硅片的加工质量及磨削效率的影响[9]，但仅研究了Φ76mm小尺寸硅片，且采用传统的旋转工作台式磨削。因此，国内外学者对自旋转磨削加工大尺寸硅片时，磨削参数及砂轮粒度在不同水平条件下对磨削去除效率、磨削力及硅片的加工质量的影响规律还没有系统的研究。本文通过试验研究直径Φ200mm硅片自旋转磨削时砂轮转速、工件转速、砂轮进给速度和树脂结合剂金刚石砂轮的粒度对材料去除率、砂轮主轴电机电流以及硅片磨削表面粗糙度的影响关系，使硅片自旋转磨削时既能够兼顾加工效率又能保证表面粗糙度。 2、硅片自旋转磨削的原理与分析硅片自旋转磨削时，硅片固定在尺寸略大于硅片的真空吸盘上，并随吸盘一起绕其中心轴旋转，杯型砂轮绕其主轴旋转并沿轴向进给，采用自旋转磨削方法加工硅片的装置原理如图1(a)所示[10]。自旋转磨削加工过程中，当砂轮主轴与吸盘主轴平行时，理论上砂轮与硅片之间的全接触磨削面积或弧长，如图1（b）所示；但是在实际磨削加工中，为了减小磨削力和减少磨削热，通常有意调整砂轮主轴与吸盘主轴之间的角度，产生一个微倾角使砂轮和硅片实现半接触(half-contact)磨削，如图1（c）所示。自旋转磨削硅片时，砂轮每转磨削深度tw与砂轮轴向进给速度f和硅片转速nw关系为： (1) 根据（1）式，对给定的砂轮轴向进给速度f，提高硅片转速nw，可以减小硅片磨削深度。对于一些超精密磨床，其砂轮轴向进给速度可以控制到1micro;m/min以内，如果硅片转速为200rpm，则硅片每转的磨削深度只有0.005micro;m，可以实现微量切深的延性域磨削。若在保持与传统的往复平面磨削相同的磨削深度磨削时，可以通过大幅度提高砂轮轴向进给速度，增大材料去除率，从而实现了高效磨削。

3、硅片自旋转磨削试验本文以VG401MKⅡ型超精密磨床为实验平台，磨床主要参数如表1所示。采用图1（c）所示的半接触磨削，磨削试件为Ф200mm×725micro;m单晶硅片，研究磨削工艺参数、砂轮粒度对硅片磨削材料去除率、砂轮主轴电机驱动电流以及磨削后硅片表面粗糙度的影响，试验加工参数如表2所示。自旋转磨削材料去除率Qw为： (2) 其中，Qw为材料去除率，V为材料去除体积，h为去除高度，t为磨削时间。硅片自旋转磨削试验时，利用磨床的硅片在线厚度测量装置（测量精度为1micro;m）测量硅片厚度。采用秒表精确测量磨削加工时间，然后计算材料去除率，为了精确计算磨削材料去除率，磨削时不进行无火花磨削。磨削加工时主轴电流的变化可以直接读取磨床砂轮主轴电流表的示值。磨削后硅片的表面粗糙度采用NewView5022三维表面轮廓仪检测，取样长度取500micro;m。表1：磨床主要技术参数参数指标金刚石砂轮 Ф350mm 杯型树脂结合剂冷却液去离子水 200C 夹持工作台多孔陶瓷真空吸盘砂轮转速 ns (0~3000rpm) 工作台转速 nw (0~500rpm) 砂轮主轴进给率 f (1~999micro;m/min) 表2：试验中磨削加工参数砂轮转速（rpm）工件转速（rpm）进给速度（micro;m/min）砂轮型号 1 1700 150 10 #325 2 1900 200 30 #600 3 2100 250 50 #2000 4 2300 300 70 #3000 5 2500 350 90

4、结果与讨论 4.1磨削参数的影响 4.1.1砂轮转速的影响固定工件的转速和砂轮主轴进给速度，研究不同砂轮转速对材料去除率、砂轮主轴驱动电机电流及表面粗糙度的影响。试验结果如图2所示，当砂轮转速从1500rpm增加到2300rpm时，材料去除率略有增大，砂轮主轴电流减小且表面粗糙度逐渐减小。但是，砂轮的转速过大时（2300rpm），单颗磨粒的切削深度减小，单颗磨粒的磨削力较小，砂轮的自锐能力降低，钝化磨粒的摩擦作用使砂轮的磨削力和磨削功率增大（表现为主轴电机电流增大），造成比磨削能变大，而材料去除率下降，并且磨削后硅片的表面粗糙度变大。因此，硅片自旋转磨削时，适当增大砂轮的转速有利于提高材料去除率和降低磨削硅片的表面粗糙度，但是，过大砂轮转速会导致比磨削能和磨削硅片的表面粗糙度增大。

4.1.2工件转速的影响在不同工件转速下的磨削试验结果如图3所示。试验结果表明，工作台的转速从200rpm增大到350rpm时，由于砂轮的磨削深度减小，材料去除率略有减小，而硅片磨削表面粗糙度和砂轮主轴电机电流变化不大。

4.1.3砂轮进给速度的影响试验研究不同的砂轮进给速度对材料去除率、砂轮主轴电机电流及磨削后硅片的表面粗糙度的影响，发现，当砂轮进给速度增大，硅片磨削的材料去除率增加，但是砂轮主轴电机电流和硅片表面粗糙度也相应增大，如图4所示。因此，为了既能提高磨削效率又能保证硅片磨削后的表面粗糙度，磨削过程可以分阶段进行，首先砂轮快速进给，去除大量的加工余量；然后切换为慢速进给，去除剩余的加工余量；等磨削到要求的硅片厚度时，砂轮轴向进给变为零，进行无火花磨削，以降低磨削表面的粗糙度。 4.2砂轮粒度的影响本文磨削试验采用了四个不同型号的砂轮，粒度分别为#325，#600，#2000，#3000，分析磨粒粒度对材料去除率、砂轮主轴电机电流及磨削后硅片表面粗糙度的影响，试验结果如图5所示。磨粒粒度越细，材料去除率越小，砂轮主轴电机电流越大，表面粗糙度越小。#325砂轮与#2000砂轮磨削相比，#325砂轮的材料去除率约为#2000砂轮的材料去除率的2倍，但是磨削后的表面粗糙度却增大很多；而采用比#2000砂轮更细粒度的砂轮磨削时，材料去除率明显减小，表面粗糙度却改善不大。因此，硅片自旋转磨削工艺中，可以首先采用#350砂轮进行粗磨，去除大部分加工余量；然后，采用#2000砂轮进行精磨，去除剩余加工余量和由粗磨引起的损伤层，保证磨削硅片的表面粗糙度。

5、结论 (1)在一定范围内增加砂轮转速，磨削硅片的材料去除率略有提高，砂轮的主轴电机电流减小，并且硅片磨削表面质量有所改善。但是过高的砂轮转速不利于提高材料去除率和改善表面质量。 (2)砂轮进给速度是硅片磨削效率和磨削质量的主要因素，进给速度越大，硅片的去除率越大，但是砂轮主轴电机电流越大，表面质量越差。磨削过程应分快速进给磨削、慢速进给磨削和无火花磨削三个阶段进行，既能提高磨削质量又能兼顾加工效率。 (3)砂轮粒度越细，磨削加工材料去除率越小，主轴驱动电机电流越大，磨削表面粗糙度越小，但是采用比#2000粒度更细的砂轮磨削加工时，材料去除率减小，而表面粗糙度变化不大。

参考文献 [1] Peter O.Hahn, The 300 mm silicon wafer - a cost and technology challenge, Microelectronic Engineering, 56 2001:3-13. [2]郭东明，康仁科，金洙吉, 大尺寸硅片高效超精密加工技术，机械工程学会年会论文集，机械工业出版社，2002，12. [3] Shayne La Force, Meeting market Requirements through innovation: The new DBC Process, TAP technology, (2001) 71-73. [4] Ernst Gaulhofer, Heinz Oyrer. Wafer thinning and strength enhancement to meet emerging packaging requirements, IEMT Europe 2000 Symposium, April 06-07,Mynich, Germany. [5]康仁科，田业冰，郭东明，金洙吉，大直径硅片超精密磨削技术的研究与应用现状. 金刚石与磨料磨具工程，136（4）2003:13-18. [6] H.Ohmori, T.Nakagawa, Mirror surface grinding of silicon wafers with electrolytic in-process dressing, Annals of CIRP, 39(1) 1990:329-332. [7] D.J.Stephenson, D.Veselovac et al. Ultra-precision grinding of hard steels, Precision Engineering, 25(2001) 336-345. [8] Z.J.Pei, Alan Strasbaugh, Fine grinding of silicon wafers, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 41 2001:659-672. [9]于栋利李东春何巨龙等硅片的在线电解修整超精密磨削中国机械工程，10(5) 1999:566-569. [10] S.Matsui, An experimental study on the grinding of silicon wafer - the wafer rotation grinding method (1st report), Bull. Japan Soc. Prec. Eng., 22(4) 1988:295-300.

作者简介:田业冰，男，1979年生，大连理工大学机械学院博士研究生。主要从事精密超精密加工技术、计算机仿真技术等方面的研究，发表科研学术论文5篇。

lcj214 · 发表于 2011-9-19 12:02:55

来看看，了解

adamxiong · 发表于 2004-12-11 03:50:00

支持！

asahi金刚石工具 · 发表于 2004-12-10 17:45:00

硅片减薄量的多少在于减薄砂轮倾斜的角度。

一般分为：【粗磨--细磨--精磨】

硅片表面平整度、寿命取决于金刚石的粒度以及制造工艺。

http://szautech.chinae.com

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