CN106041660A - 一种硅晶圆多步变参数粗磨削方法 - Google Patents

Abstract

一种硅晶圆多步变参数粗磨削方法，属于硅晶圆磨削加工领域。本发明包括下列步骤：将磨削力产生分为两个机制：摩擦作用力和切屑形成作用力；根据赫兹接触理论和切屑形成理论建立了磨削力模型F_nt；实验测量了9种磨削工艺下硅晶圆的亚表面裂纹深度h，将裂纹深度与总的磨削力F_nt的三分之二次幂进行线性拟合，得到裂纹深度的预测模型h＝0.223(F_nt)^2/3+8.57。根据裂纹深度预测值，提出了硅晶圆多步变参数粗磨削方法。此方法可保证磨削效率和提高硅晶圆的磨削质量，同时降低时间和成本消耗。

Description

一种硅晶圆多步变参数粗磨削方法

技术领域

本发明涉及硅晶圆磨削领域，特别涉及一种硅晶圆磨削方法。

背景技术

集成电路(IC)是现代信息产业和信息社会的基础。IC技术是推动国民经济和社会信息化发展最主要的高新技术，也是改造和提升传统产业的核心技术。IC的发展离不开基础材料硅晶圆，全球90％以上的IC都要采用硅晶圆。随着IC制造技术的飞速发展，为了增大IC芯片产量，降低单元制造成本，硅晶圆趋向大直径化。按照美国半导体工业协会(SIA)的微电子技术发展构图，到2005年，300mm硅晶圆将成为主流产品，到2008年将开始使用450mm硅晶圆。随着硅片直径增大，为了保证硅晶圆具有足够的强度，原硅晶圆厚度也相应增加。目前200mm直径硅晶圆的平均厚度700μm，而300mm直径硅晶圆平均厚度已增加到775μm。与此相反，为满足IC芯片封装的需要，提高IC尤其是功率IC的可靠性、降低热阻、提高芯片的散热能力和成品率，要求芯片厚度薄型化，芯片的平均厚度每两年减少一半，目前芯片厚度已减小到100～200μm，智能卡、MEMS、生物医学传感器等IC芯片厚度已减小到100μm以下，高密度电子结构的三维集成和立体封装芯片更是需要厚度小于50μm的超薄硅晶圆。

为满足封装技术发展的需求，需对硅晶圆进行减薄。目前，晶圆减薄的主流技术为自旋转磨削技术，该技术是通过砂轮和硅晶圆的高速旋转以及砂轮的轴向进给去除晶圆表面多余的材料。然而，随着硅晶圆厚度的减小，加工中翘曲变形，加工精度不易保证；原始硅晶圆厚度增大以及芯片厚度的减薄，使硅晶圆背面减薄加工的材料去除量增大，提高加工效率成为一个亟待解决的问题；此外，磨削引起的损伤(亚表面裂纹)降低了硅晶圆的机械性能，增加了硅晶圆破片的概率，影响后续加工效率，降低磨削损伤是当前面临的严峻的挑战。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种硅晶圆多步变参数粗磨削方法，该方法即可保证磨削效率，又可提高磨削质量。其步骤包括：磨削力模型的建立、亚表面裂纹深度的实验测试和裂纹深度预测公式拟合。该方法一方面可得到晶圆磨削过程磨削力预测模型，有利于对磨削机理的深入理解和磨削工艺控制；另一方面获得亚表面裂纹深度，确定磨削带来的损伤程度，为后续磨削去除量和工艺控制提供参考。

一种硅晶圆多步变参数粗磨削方法，其特征在于分为两步：第一步，砂轮进给速率为f₁＝100-120μm/min，砂轮转速为N_s1＝4800-5000r/min，晶圆转速为N_w1＝200-220r/min，第二步，砂轮进给速率为f₂＝20-24μm/min，砂轮转速为N_s2＝5000r/min，晶圆转速为N_w2＝200r/min，裂纹深度9-11μm；

两步磨削去除材料总厚度d＝d₁+d₂；第一步去除材料厚度d₁，第二步去除材料厚度d₂，所述d₂＝18-22μm，d₁＝d-d₂，

进一步，d₁大于15μm。

所述d₁大于15μm。

本发明所述的一种硅晶圆多步变参数粗磨削方法，其步骤包括：

建立磨削力模型：

首先根据质量守恒定律，建立了硅晶圆磨削过程的磨粒磨削深度模型，磨削深度模型考虑了磨粒尺寸、磨削参数、砂轮几何参数以及硅晶圆径向位置的影响。假设磨粒随机分布，在最大磨削深度范围内对任意磨粒的切削面积进行积分，得到磨粒平均切削面积模型。根据赫兹接触理论，摩擦作用力与材料弹性模量和磨削参数有关，以单颗磨粒为研究对象，建立摩擦引起的法向磨削力模型F_ns。根据切屑形成理论，切屑形成力为切屑形成系数与切屑面积的乘积，以单颗磨粒为研究对象，建立切屑形成引起的法向磨削力模型F_nc，单颗磨粒磨削力F_n为F_nc与F_ns之和。单颗磨粒磨削力与磨粒数量N的乘积为总磨削力F_nt：

$F_{nt}=\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_n=N\·(\frac{5.08R_e^2}{\frac{1-{\mathrm{\υ}}_1^2}{E_1}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_2^2}{E_2}}+8.08k\·R_e^2)\·\frac{{(r\·f\·N_w)}^{0.6}}{{(L\·W\·\mathrm{\γ})}^{0.6}\·N_s^{1.2}\·{(1+\frac{r^2}{8R_s^2})}^{0.6}}$

所述R_e为磨粒半径，υ₁、E₁为硅材料的泊松比和弹性模量，υ₂、E₂为磨粒材料的泊松比和弹性模量，r为硅晶圆表面一点到中心的距离，f为砂轮进给速率，N_w为晶圆转速，N_s为砂轮转速，L为砂轮周长，W砂轮宽度、γ为磨粒体积比率，1+r²/8R_s ²为磨痕参数，亚表面裂纹深度h的实验测试：

采用截面显微观测法，观测了9种磨削工艺条件下硅晶圆亚表面裂纹深度h。

h与(F_nt)^2/3线性拟合：

将h与(F_nt)^2/3进行线性拟合，拟合度为0.817，得到裂纹深度的预测模型：

h＝0.223(F_nt)^2/3+8.57

根据裂纹深度预测模型，砂轮进给速率为f₁＝100-120μm/min，砂轮转速为N_s1＝4800-5000r/min和晶圆转速为N_w1＝200-220r/min，裂纹深度范围为12-15μm。裂纹深度大，材料去除效率高。砂轮进给速率为f₂＝20-24μm/min，砂轮转速为N_s2＝5000r/min和晶圆转速为N_w2＝200r/min，裂纹深度范围为9-11μm，裂纹深度小，磨削质量好。

多步变参数粗磨削方法：

综合考虑裂纹深度和去除效率，所述多步变参数粗磨削方法为两步变参数磨削法，第一磨削步设定磨削参数：砂轮进给速率为f₁＝100-120μm/min，砂轮转速为N_s1＝4800-5000r/min，晶圆转速为N_w1＝200-220r/min。第二磨削步设定磨削参数：砂轮进给速率为f₂＝20-24μm/min，砂轮转速为N_s2＝5000r/min，晶圆转速为N_w2＝200r/min。第一磨削步去除材料厚度d₁，第二磨削步去除材料厚度d₂，所述d₂大于11μm，取所述d₂＝18-22μm，d₁大于15μm，所述两步磨削去除材料厚度d＝d₁+d₂。

附图说明

图1为裂纹深度与磨削力的线性拟合图；

图2为两步磨削图；

图3本发明流程图。

图中：

101—为实验测得的裂纹深度，102—为裂纹深度与磨削力的线性拟合，201—第一磨削步，202—第二磨削步。

具体实施方式：

首先根据材料去除体积守恒，建立了硅晶圆磨削过程的磨粒磨削深度模型，磨削深度模型考虑了磨粒尺寸、磨削参数、砂轮几何参数以及硅晶圆径向位置的影响。主要思路是从两个方面得到材料去除体积模型，最后由去除体积相等得到磨粒磨削深度模型。

建立磨粒磨削深度模型：

磨削过程中，磨粒沿着磨削轨迹连续去除硅晶圆表面材料。在硅晶圆表面任意位置r处，单颗磨粒去除的材料体积为磨粒的切削面积与磨痕长度的乘积

dV＝A·dS(r)·N·β

其中，dS(r)为r处磨痕长度。

将磨粒切削面积A和磨粒数量N代入dV得到总的材料去除体积。

$dV=\mathrm{\β}\·\frac{Lw\mathrm{\γ}}{10\mathrm{\π}}\·{\left(\frac{2R_e-2Z_w}{R_e}\right)}^{2.5}\·(1+\frac{r^2}{8R_s^2})dr$

所述，dV为去除材料体积，β为磨粒的重叠系数，L为砂轮周长，W砂轮宽度、γ为磨粒体积比率，R_e为磨粒半径，Z_w为硅晶圆表面位置，1+r²/8R_s ²为磨痕参数，由理论计算得到，dr为沿着硅晶圆径向无穷小增量。

另一方面，在硅晶圆表面任意位置r处，材料瞬时去除体积还可以表示为材料去除截面积与硅晶圆径向增量的乘积：

$dV=B\·dr=\frac{2\mathrm{\π}r\·N_w}{N_s}\·\frac{f}{N_s}dr$

所述，B为去除材料的截面积，f为砂轮进给速率，N_w为晶圆转速，N_s为砂轮转速。

根据质量守恒定律，两种方法得到的材料去除体积dV相同，得

$R_e-Z_w=4.88R_e\·{\left(\frac{r\·f\·N_w}{L\·W\·\mathrm{\γ}\·N_s^2\·(1+\frac{r^2}{8R_s^2})}\right)}^{0.4}$

所述，R_e-Z_w为磨粒的最大磨削深度。

建立磨削力模型：

分析磨粒切削行为，将磨削力分为摩擦引起的法向磨削力和切屑形成引起的法向磨削力。摩擦力引起的法向磨削力可根据赫兹接触理论计算：

假设磨粒为随机分布，在最大磨削深度R_e-Z_w范围内对任意磨粒的切削面积进行积分，得到磨粒平均切削面积模型：

$A=\frac{2R_e^3}{15(R_e-Z_w)}{\left(\frac{2(R_e-Z_w)}{R_e}\right)}^{2.5}$

所述，A为磨粒平均切削面积。

根据赫兹接触理论，摩擦引起的法向磨削力为

$F_{ns}=\frac{5.08R_e^2}{\frac{1-{\mathrm{\υ}}_1^2}{E_1}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_2^2}{E_2}}\·\frac{{(r\·f\·N_w)}^{0.6}}{{(L\·W\·\mathrm{\γ})}^{0.6}\·N_s^{1.2}\·{(1+\frac{r^2}{8R_s^2})}^{0.6}}$

所述，F_ns为摩擦引起的法向磨削力，υ₁、E₁为硅材料的泊松比和弹性模量，υ₂、E₂为磨粒材料的泊松比和弹性模量。

根据磨削触理论，切屑形成引起的法向磨削力可表示为磨粒切屑面积A与切屑系数k的乘积。

$F_{nc}=8.08k\·R_e^2\·\frac{{(r\·f\·N_w)}^{0.6}}{{(L\·W\·\mathrm{\γ})}^{0.6}\·N_s^{1.2}\·{(1+\frac{r^2}{8R_s^2})}^{0.6}}$

所述，F_nc为切屑形成引起的法向磨削力，k切屑形成系数，所述k＝55493N/μm²为实验测量值。

单颗磨粒磨削力为摩擦引起的法向磨削力和切屑形成引起的法向磨削力之和：

$F_n=F_{ns}+F_{nc}=(\frac{5.08R_e^2}{\frac{1-{\mathrm{\υ}}_1^2}{E_1}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_2^2}{E_2}}+8.08k\·R_e^2)\·\frac{{(r\·f\·N_w)}^{0.6}}{{(L\·W\·\mathrm{\γ})}^{0.6}\·N_s^{1.2}\·{(1+\frac{r^2}{8R_s^2})}^{0.6}}$

所述，F_n为单颗粒法向磨削力

总磨削力F_nt为单颗磨粒磨削力F_n与磨粒数量N的乘积：

$F_{nt}=\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_n=N\·(\frac{5.08R_e^2}{\frac{1-{\mathrm{\υ}}_1^2}{E_1}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_2^2}{E_2}}+8.08k\·R_e^2)\·\frac{{(r\·f\·N_w)}^{0.6}}{{(L\·W\·\mathrm{\γ})}^{0.6}\·N_s^{1.2}\·{(1+\frac{r^2}{8R_s^2})}^{0.6}}$

所述，N为总磨粒个数，所述

亚表面裂纹深度h的实验测试：

采用截面显微观测法，观测了9种磨削工艺条件下硅晶圆亚表面裂纹深度。首先，采用激光对硅晶圆进行切割，制作试样，试样尺寸为10mm×8mm。将切割后试样通过热熔胶粘贴在薄钢板上，并使观测截面与钢板边缘保持平齐。先后用#2000、#5000砂纸打磨，用0.25μm金刚石抛光液抛光，直至待观测截面无磨痕。采用超声波设备对试样进行清洗，待其自然干燥，采用“杨氏”溶液(H₂O:HF49％:Cr₂O₃＝500ml:500ml:75g)对截面进行腐蚀，然后用清水冲洗并自然干燥。在FEI Quanta 650型扫描电子显微镜下观测，并测量裂纹的最大垂直深度h。

h与(F_nt)^2/3线性拟合：

将实验测得的裂纹深度值101与(F_nt)^2/3在数据处理软件Origin中进行线性拟合，得到裂纹深度预测模型

$h=0.223{(\frac{5.08R_e^2}{\frac{1-{\mathrm{\υ}}_1^2}{E_1}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_2^2}{E_2}}N+8.08k\·R_e^2\·N)}^{2/3}\·\frac{{(r\·f\·N_w)}^{0.4}}{{(L\·W\·\mathrm{\γ})}^{0.4}\·N_s^{0.8}\·{(1+\frac{r^2}{8R_s^2})}^{0.4}}$

根据裂纹深度预测模型，砂轮进给速率为f₁＝100-120μm/min，砂轮转速为N_s1＝4800-5000r/min和晶圆转速为N_w1＝200-220r/min，裂纹深度范围为12-15μm。裂纹深度大，材料去除效率高。砂轮进给速率为f₂＝20-24μm/min，砂轮转速为N_s2＝5000r/min和晶圆转速为N_w2＝200r/min，裂纹深度范围为9-11μm，裂纹深度小，磨削质量好。

多步变参数粗磨削方法：

综合考虑裂纹深度和去除效率，所述多步变参数粗磨削方法为两步变参 数磨削法，第一磨削步201设定磨削参数：砂轮进给速率为f₁＝100-120μm/min，砂轮转速为N_s1＝4800-5000r/min，晶圆转速为N_w1＝200-220r/min。第二磨削步202设定磨削参数：砂轮进给速率为f₂＝20-24μm/min，砂轮转速为N_s2＝5000r/min，晶圆转速为N_w2＝200r/min。第一磨削步201去除材料厚度d₁，第二磨削步202去除材料厚度d₂，所述d₂大于11μm，取d₂＝18-22μm，d₁大于15μm，所述两步磨削去除材料厚度d＝d₁+d₂。

所述，第一磨削步201，产生较大裂纹深度，但具有最高的磨削效率，可快速去除表面材料；第二阶段202，具有较低的磨削效率，但裂纹深度最小，可降低磨削损伤，提高磨削质量。本发明提出的一种硅晶圆多步变参数粗磨削方法，即可保证磨削效率又可提高晶圆磨削质量。

Claims (2)

1.一种硅晶圆多步变参数粗磨削方法，其特征在于分为两步：第一步，砂轮进给速率为f₁＝100-120μm/min，砂轮转速为N_s1＝4800-5000r/min，晶圆转速为N_w1＝200-220r/min，第二步，砂轮进给速率为f₂＝20-24μm/min，砂轮转速为N_s2＝5000r/min，晶圆转速为N_w2＝200r/min，裂纹深度9-11μm；

两步磨削去除材料总厚度d＝d₁+d₂；第一步去除材料厚度d₁，第二步去除材料厚度d₂，所述d₂＝18-22μm，d₁＝d-d₂。

2.根据权利要求1所述的一种硅晶圆多步变参数粗磨削方法，其特征在于：d₁大于15μm。