CN109048645B - 一种用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘及其制备方法和用途，半固结研磨盘包括基盘及若干磨片；磨片包括骨架及含有磨粒的半固结研磨介质；骨架上均匀设有若干贯穿骨架上下表面的孔洞，含有磨粒的半固结研磨介质填充于该些孔洞内；骨架的硬度大于所述半固结研磨介质的硬度；若干磨片的下表面固接在所述基盘，若干磨片的上表面共同形成研磨工作面，相邻磨片间的间隙形成流道。本发明的用于半导体衬底研磨的新型结构半固结研磨盘，不仅可以获得较好的表面质量和较高的研磨效率，同时还可改善衬底的面形精度，可用于面形精度要求较高的半导体衬底零件的精密研磨加工。

Description

一种用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘及其制备方法和 用途

技术领域

本发明涉及半导体材料加工领域，具体涉及一种用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘及其制备方法和用途。

背景技术

在光电半导体衬底的制备过程中，衬底零件不仅要求具有很好的表面质量，也需要具有很高的面形精度。目前，衬底的制备主要包括切片、平整和抛光等工序。在平整加工中主要是通过游离磨料研磨去除线切过程中所产生的切痕，并获得较为平整的表面，为后续抛光提供一个良好基础。但在采用游离磨料对衬底进行平坦化加工过程中，由于磨料的分布不均以及磨粒轨迹的不可控性，使得加工衬底的面形精度难以保证。为此，有学者提出采用固结磨料砂轮替代游离磨料进行研磨加工，由于砂轮表面磨粒分布均匀且磨粒运动轨迹可控，可获得较高的衬底面形精度。然而，采用固结磨料砂轮对衬底加工时，虽然加工效率高，衬底面形精度好，但存在较为严重的表面和亚表面损伤，只能作为衬底的粗研加工。为了克服固结磨料砂轮加工中损伤严重的问题，有学者提出采用半固结磨料研磨方法实现对衬底的精研加工。

半固结磨粒研磨综合了游离磨粒研磨和固结磨粒研磨的优点，利用半固结磨料研磨工具的柔性使得磨粒的出露高度较为一致，且单颗磨粒与工件的作用力较小，从而避免了磨粒对工件表面的划伤，减小了工件表面/亚表面损伤，可获得较好的表面质量。然而，在半导体衬底的制备过程中，衬底不仅要获得较好的表面质量，也需要获得较高的面形精度。但由于半固结磨料研磨盘相对较软，在研磨过程中由于研磨压力的施加，研磨盘会产生较大的变形，使得衬底的面形精度难以保证。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘及其制备方法和用途，磨片采用较硬材料制备出蜂窝结构的骨架，防止研磨盘的过大变形，保证研磨后衬底的面形精度；同时骨架的孔洞内填充含有磨粒的半固结研磨介质，实现对衬底的半固结磨料研磨加工，以获得较好的衬底表面质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：

一种用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘，包括基盘及均匀布置在基盘上的若干磨片；所述磨片包括骨架及含有磨粒的半固结研磨介质；所述骨架上均匀设有若干贯穿骨架上下表面的孔洞，所述含有磨粒的半固结研磨介质填充于该些孔洞内，且含有磨粒的半固结研磨介质的上下表面不低于骨架的上下表面；所述骨架的硬度大于所述半固结研磨介质的硬度，较硬的骨架主要起支持作用，减小研磨过程中研磨盘的变形，含有磨粒的半固结研磨介质主要用于对工件的半固结研磨加工；所述若干磨片的下表面固接在所述基盘，所述若干磨片的上表面共同形成研磨工作面，相邻磨片间的间隙形成流道，供研磨液流动，并起到冷却和排屑的作用，间隙的宽度可根据需要改变。

一实施例中：所述磨片的形状为方形、圆形、菱形或三角形，磨片的尺寸也可根据需要改变。

一实施例中：所述骨架为环氧树脂或酚醛树脂等相对较硬的材料制成。

一实施例中：所述孔洞为方柱形或圆柱形，孔洞的尺寸也可根据需要改变。

一实施例中：所述含有磨粒的半固结研磨介质中，磨粒为金刚石、碳化硅、氧化硅中的至少一种，磨粒粒径也可根据需要选择，半固结研磨介质为较软的胶体、橡胶或研磨膏。

一实施例中：所述流道的宽度为5～10mm。

一实施例中：所述磨片下表面胶粘在所述基盘上。

一实施例中：所述基盘上还设有若干研磨液孔。

一实施例中：所述基盘中央设有用于与加工机床相连接的安装孔。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：

一种上述的半固结研磨盘的制备方法，包括：

1)将磨粒加入到2～4％的海藻酸钠溶液中，使磨粒在海藻酸钠溶液中分布均匀；随后将含有磨粒的海藻酸钠溶液逐滴滴到4～6％的CaCl₂溶液中，固化4～6小时，即得所述含有磨粒的半固结研磨介质；在底部设有均匀分布的孔的模具内插入所述含有磨粒的半固结研磨介质；将调配好的制备骨架的原料浇注到模具内并使该原料充满含有磨粒的半固结研磨介质之间的间隙；固化，脱模，即得所述磨片；

2)将步骤1)制得的磨片下表面固定在基盘上，若干磨片排列在基盘表面，相邻磨片间的间隙形成流道，即得所述半固结研磨盘。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之三是：

一种上述的半固结研磨盘在半导体衬底研磨上的用途。

一实施例中：包括以下方法：在双面行星研磨机床上研磨加工SiC晶片或蓝宝石晶片，研磨压力12.5～20KPa(例如为12.5KPa、15KPa、17.5KPa、20KPa)，转速40～100r/m(例如为40r/m、60r/m、80r/m、100r/m)，加工时间50～70min。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

本发明的半固结研磨盘中，不含磨料的骨架相对半固结研磨介质来讲较硬，提高了研磨盘的刚度，避免了传统半固结研磨盘盘面较软的缺点，但由于骨架结构中没有磨粒，不会对衬底表面造成划伤。本发明的半固结研磨盘在研磨加工过程中，衬底面形变化如图6所示。在骨架蜂窝结构的支撑下，研磨盘的变形较小，衬底表面凸起部分能较快被去除，同时由于磨粒处于半固结状态，磨粒运动轨迹可控，可通过控制磨粒运动轨迹实现衬底表面的均匀去除，使衬底获得较好的面形精度。因此，采用该新型的半固结研磨盘进行研磨，衬底的面形精度不仅不会变差，还会有较大的改善。

骨架结构孔中的半固结研磨介质内含有均匀分布的磨粒，主要起到研磨的作用。由于半固结研磨介质较软，且具有一定的弹性，当与工件相互作用时，出露较高的磨粒首先受力，但随着受力增大，凝胶变形回退，而出露较小的磨粒开始与工件接触，并承受一定的压力作用，如图7所示。在一定的压力作用下，工件表面与半固结研磨介质接触时，磨粒在工件表面的作用力相对比较均衡，避免了出露高度较大的磨粒对工件表面造成划伤，以获得较好的表面质量。同时由于半固结研磨介质中的磨粒处于半固结状态，磨粒运动轨迹可控，可通过优化磨粒运动轨迹，获得更加均匀的研磨表面。

本发明的半固结研磨盘适用于半导体衬底研磨，不仅可以获得较好的表面质量和较高的研磨效率，同时还可改善衬底的面形精度，可用于面形精度要求较高的薄片衬底零件的精密研磨加工。不仅可用于单面研磨，也可以用于双面研磨加工，同时可根据不同研磨机床，制备成不同尺寸和规格。骨架的刚度可根据加工零件面形精度要求进行调节，含有磨粒的半固结研磨介质可根据加工零件表面质量要求对磨粒类型、磨粒粒径和浓度等进行合理选择。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的半固结研磨盘的整体示意图。

图2为本发明的半固结研磨盘的基盘示意图。

图3为本发明的半固结研磨盘的单个磨片示意图。

图4为本发明的半固结研磨盘中，磨片在基盘上的排列情况及流道示意图，其中右图为左图中圆圈处的放大示意图。

图5为本发明的磨片制备过程示意图。

图6为本发明的半固结研磨盘用于衬底研磨加工过程中的衬底面形变化示意图。

图7为本发明的半固结研磨盘用于衬底研磨加工过程中的磨粒回退机制示意图。

图8为本发明的半固结研磨盘以12.5KPa压力加工后SiC晶片表面形貌，a为4H-SiC晶片C面，b为4H-SiC晶片Si面，c为6H-SiC晶片C面，d为6H-SiC晶片Si面。

图9为本发明的半固结研磨盘加工后的蓝宝石衬底表面形貌，a为3D光学轮廓仪照片，b为SEM照片。

附图标记：基盘1，安装孔11，研磨液孔12；磨片2，骨架21，含有磨粒的半固结研磨介质22，半固结研磨介质221，磨粒222，流道23；衬底30。

具体实施方式

下面通过实施例具体说明本发明的内容：

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“横”、“竖”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图中的立体图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

请查阅图1，为本实施例的用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘，包括基盘1及均匀布置在基盘上的若干磨片2；

请参照图2，基盘1呈圆形，中央设有圆形安装孔11，便于与加工机床相连接；基盘1上还设有若干个均匀分布且直径约为8mm的研磨液孔12，用于导入研磨液。若干磨片2呈格状地规律排列在基盘1表面，磨片2的上表面共同形成研磨工作面，相邻磨片2间具有宽度2mm的间隙，形成流道23，如图4所示。

请参照图3，磨片2呈方形片状，包括骨架21及含有磨粒的半固结研磨介质22；骨架21为较硬的环氧树脂材料制成，其上均匀设有若干贯穿骨架21上下表面的圆形孔洞，形成蜂窝状结构；含有磨粒的半固结研磨介质22填充于该些孔洞内，其中半固结研磨介质221为较软的含金刚石磨粒的凝胶体材料，其中的磨粒222为粒径60μm的金刚石磨粒；含有磨粒的半固结研磨介质22的上下表面不低于骨架21的上下表面，例如齐平或略高出骨架21的上下表面，便于进行研磨加工。

所述含有磨粒的半固结研磨介质22的制备方法如下：

将金刚石磨粒加入到3％的海藻酸钠溶液中，并进行充分搅拌，使金刚石磨粒在海藻酸钠溶液中分布均匀；随后通过一个小口径的管嘴将含有金刚石磨粒的溶液注射到5％的CaCl₂溶液中，利用海藻酸钠与CaCl₂溶液的化学反应而固化，固化时间5小时，形成相对较软的棒状凝胶体，即得所述含有磨粒的半固结研磨介质22，凝胶棒直径为6mm，磨料浓度为10％。

本实施例的半固结研磨盘制备方法如下：

1)制备磨片2：

(a)设计并制备相应的硅胶模具，如图5(a)所示，在硅胶模具底部有许多分布均匀的小孔；

(b)在硅胶模具的小孔内插入排布按照上述方法制备好的，呈圆棒状的含有磨粒的半固结研磨介质22，如图5(b)所示；

(c)浇注树脂，将调配好的环氧树脂浇注到硅胶模具内，如图5(c)所示，并将其放置在振动台上振动约20分钟，通过振动使环氧树脂填满圆棒状的含有磨粒的半固结研磨介质22之间的间隙，随后将上层多余的树脂刮掉；所用的树脂为凤凰牌E-44环氧树脂，固化剂为651环氧树脂固化剂，环氧树脂和固化剂按照质量比为2:1的比例混合调配；浇注时为增加树脂流动性，浇注前用恒温水浴箱对树脂进行预热，预热温度为50℃；

(d)放置24小时，使环氧树脂充分固化，翻模，即得所述磨片2，如图5(d)所示，磨片尺寸为30×30×5mm，含有16个均匀分布的圆棒状的含有磨粒的半固结研磨介质22。

2)制备半固结研磨盘：根据双面行星研磨机床所设计的基盘1外径为720mm，内径为320mm；将步骤1)制得的磨片2下表面通过AB胶黏贴在基盘1上，磨片2呈格状地规律排列在基盘1表面，相邻磨片2间具有宽度2mm的间隙，形成流道23，供研磨液的流动，起到冷却和排屑的作用，如图4所示。

应用本实施例的半固结研磨盘对半导体衬底进行研磨：

在双面行星研磨机床AC 700-F(德国Peter Wolter公司)上采用该研磨盘加工2英寸6H-SiC晶片，加工前6H-SiC晶片的规格：直径50.8mm，厚度为720±5μm，弯曲度(Bow)为10±1μm，翘曲度(Warp)为12±1μm，总厚度偏差(TTV)为7±1μm，表面粗糙度Ra为120±5nm。

研磨时行星轮位于太阳轮和外齿圈之间，并绕太阳轮作行星运动，SiC晶片置于行星轮上的圆孔之内，在行星轮的带动下绕行星轮中心自转，同时跟随行星轮绕太阳轮中心公转。加工压力由上盘提供，研磨时晶片与上下盘压合并通过相对运动实现对晶片的加工。

采用研磨压力12.5KPa，转速为40r/m，加工60min后，晶片的Bow为3.7μm，Warp为5.9μm，TTV为4.8μm，Ra为75～85nm。

用扫描电子显微镜对研磨后的晶片表面形貌进行了观测，如图8，加工后晶片的C面和Si面表面均以大面积的平滑区域为主，同时在少数区域分布有一些面积较小，深度较浅的凹坑和少量的塑性划痕，但并没有大块或者较深的解理状凹坑，总体表面质量较好，损伤较小。对比同一种晶型SiC晶片的不同晶面，可以看到研磨后Si面表面的凹坑数量比C面的略多。

实施例2

本实施例的用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘，包括基盘及均匀布置在基盘上的若干磨片；

基盘呈圆形，中央设有圆形安装孔，便于与加工机床相连接；基盘上还设有若干直径约为8mm的研磨液孔，用于导入研磨液。若干磨片呈格状地规律排列在基盘表面，磨片的上表面共同形成研磨工作面，相邻磨片间具有宽度为2mm的间隙，形成流道。

磨片呈正方形片状，包括骨架及含有磨粒的半固结研磨介质；骨架为较硬的环氧树脂材料制成，其上均匀设有若干贯穿骨架上下表面的圆形孔洞，形成蜂窝状结构；含有磨粒的半固结研磨介质填充于该些孔洞内，其中半固结研磨介质为较软的含金刚石磨粒的凝胶体材料(同实施例1)，其中的磨粒为粒径约60μm的金刚石磨粒；含有磨粒的半固结研磨介质的上下表面不低于骨架的上下表面，例如齐平或略高出骨架的上下表面，便于进行研磨加工。

本实施例之中，含有磨粒的半固结研磨介质22及半固结研磨盘的制备方法同实施例1。

应用本实施例的半固结研磨盘对半导体衬底进行研磨：

在双面行星研磨机床AC 700-F上采用该研磨盘加工2英寸4H-SiC晶片，加工前4H-SiC晶片的规格：直径50.8mm，厚度为720±5μm，Bow为10±1μm，Warp为12±1μm，TTV为7±1μm，表面粗糙度Ra为120±5nm。

采用研磨压力12.5KPa，转速为40r/m，太阳轮转速10r/min，加工60min后，晶片的Bow为3μm，Warp为5.2μm，TTV为4.2μm，Ra为80～90nm。

用扫描电子显微镜对研磨后的晶片表面形貌进行了观测，如图8，加工后晶片的C面和Si面表面均以大面积的平滑区域为主，同时在少数区域分布有一些面积较小，深度较浅的凹坑和少量的塑性划痕，但并没有大块或者较深的解理状凹坑，总体表面质量较好，损伤较小。对比同一种晶型SiC晶片的不同晶面，可以看到研磨后Si面表面的凹坑数量比C面的略多。对比两种晶型SiC晶片的同一晶面，可以看到4H-SiC表面的凹坑比6H-SiC表面的稍大。

综上所述，采用本发明的半固结研磨盘加工SiC衬底，不仅可以获得较好的表面质量，也可获得较好的面形精度，可有效解决SiC衬底现有研磨加工中，表面质量和面形精度难以保证的问题。同时，由于SiC的结构特点，相同加工条件研磨后，不同晶面和不同晶型的加工结果存在差异，同一晶型C面的表面粗糙度比Si面稍小，同一晶面6H-SiC的表面粗糙度比4H-SiC的稍小，面形精度方面4H-SiC晶片的Bow和Warp比6H-SiC晶片的略小，TTV比6H-SiC晶片的略大，而材料去除率接近，可达78～120nm/min，但总体上差别不大。

实施例3

本实施例的用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘，包括基盘及均匀布置在基盘上的若干磨片；

基盘呈圆形，中央设有圆形安装孔，便于与加工机床相连接；基盘上还设有若干直径约为8mm的研磨液孔，用于导入研磨液。若干磨片呈格状地规律排列在基盘表面，磨片的上表面共同形成研磨工作面，相邻磨片间具有宽度为2mm的间隙，形成流道。

磨片呈正方形片状，包括骨架及含有磨粒的半固结研磨介质；骨架为较硬的环氧树脂材料制成，其上均匀设有若干贯穿骨架上下表面的圆形孔洞，形成蜂窝状结构；含有磨粒的半固结研磨介质填充于该些孔洞内，其中半固结研磨介质为较软的含金刚石磨粒的凝胶体(同实施例1)，其中的磨粒为粒径60μm的金刚石磨粒；含有磨粒的半固结研磨介质的上下表面不低于骨架的上下表面，例如齐平或略高出骨架的上下表面，便于进行研磨加工。

本实施例之中，含有磨粒的半固结研磨介质22及半固结研磨盘的制备方法同实施例1。

应用本实施例的半固结研磨盘对半导体衬底进行研磨：

在双面行星研磨机床AC 700-F上采用该研磨盘加工4英寸C向蓝宝石晶片，加工前蓝宝石晶片的规格：直径100mm，厚度为700±5μm，Bow为12±1μm，Warp为18±1μm，TTV为10±1μm，表面粗糙度Ra为0.90±0.02μm。

采用研磨压力20KPa，转速为100r/m，加工60min后，晶片的Bow为2.17μm，Warp为12.44μm，TTV为6.3μm，Ra为256nm。

分别用3D光学轮廓仪和扫面电子显微镜(SEM)对加工后的衬底表面形貌进行观测。选取研磨压力为12.5KPa，转速60r/min，加工时间60min后衬底表面形貌图，如图9所示。从图9(a)可以看出，晶片表面材料去除比较均匀，加工表面高点和低点之间的垂直距离大约在4μm左右。从图9(b)可以看出加工表面比较平整，其中分布有较大面积的平坦区域，同时还存在一些较浅的凹坑，但并没有出现明显的解理状去除和大块的脆性破裂，表面质量整体较好。采用该磨盘加工后，蓝宝石衬底的表面粗糙度较低，最低可以达到200nm左右，加工后衬底表面以大面积平滑区域为主，没有明显的解理状凹坑和大面积的表面破碎和裂纹，表面质量较好。

综上所述，采用本发明的半固结研磨盘加工蓝宝石衬底时，可获得较高的材料去除率(0.27～0.35μm/min)，较低的表面粗糙度(200～260nm)；由于环氧树脂“骨架”的支持作用，减小了研磨过程中研磨盘的变形，可以减小衬底的总厚度偏差TTV，同时，在金刚石凝胶体的半固结研磨作用下，加工后衬底表面损伤小，残余应力小，使得衬底的Bow和Warp值均较小，可获得较好的面形精度，有效解决蓝宝石衬底现有研磨加工中，表面质量和面形精度难以保证的问题。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘，其特征在于：包括基盘及均匀布置在基盘上的若干磨片；所述磨片包括骨架及含有磨粒的半固结研磨介质；所述骨架上均匀设有若干贯穿骨架上下表面的孔洞，所述含有磨粒的半固结研磨介质填充于该些孔洞内，且含有磨粒的半固结研磨介质的上下表面不低于骨架的上下表面；所述骨架的硬度大于所述半固结研磨介质的硬度；所述若干磨片的下表面固接在所述基盘，所述若干磨片的上表面共同形成研磨工作面，相邻磨片间的间隙形成流道；

将磨粒加入到2～4%的海藻酸钠溶液中，使磨粒在海藻酸钠溶液中分布均匀；随后将含有磨粒的海藻酸钠溶液逐滴滴到4～6%的CaCl₂溶液中，固化4～6小时，即得所述含有磨粒的半固结研磨介质。

2.根据权利要求1所述的用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘，其特征在于：所述磨片的形状为方形、圆形、菱形或三角形。

3.根据权利要求1所述的用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘，其特征在于：所述骨架为环氧树脂或酚醛树脂材料制成。

4.根据权利要求1所述的用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘，其特征在于：所述孔洞为方柱形或圆柱形。

5.根据权利要求1所述的用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘，其特征在于：所述含有磨粒的半固结研磨介质中，磨粒为金刚石、碳化硅、氧化硅中的至少一种，半固结研磨介质为胶体、橡胶或研磨膏。

6.根据权利要求1所述的用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘，其特征在于：所述流道的宽度为5～10 mm。

7.根据权利要求1所述的用于半导体衬底研磨的半固结研磨盘，其特征在于：所述基盘上还设有若干研磨液孔；所述基盘中央设有用于与加工机床相连接的安装孔。

8.一种权利要求1至7中任一项所述的半固结研磨盘的制备方法，其特征在于：包括：

1）将磨粒加入到2～4%的海藻酸钠溶液中，使磨粒在海藻酸钠溶液中分布均匀；随后将含有磨粒的海藻酸钠溶液逐滴滴到4～6%的CaCl₂溶液中，固化4～6小时，即得所述含有磨粒的半固结研磨介质；在底部设有均匀分布的孔的模具内插入所述含有磨粒的半固结研磨介质；将调配好的制备骨架的原料浇注到模具内并使该原料充满含有磨粒的半固结研磨介质之间的间隙；固化，脱模，即得所述磨片；

2）将步骤1）制得的磨片下表面固定在基盘上，若干磨片排列在基盘表面，相邻磨片间的间隙形成流道，即得所述半固结研磨盘。

9.一种权利要求1至7中任一项所述的半固结研磨盘在半导体衬底研磨上的用途。

10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于：包括以下方法：在双面行星研磨机床上研磨加工SiC晶片或蓝宝石晶片，研磨压力12.5～20 KPa，转速40～100 r/min，加工时间50～70 min。