CN109093454B - 一种硅晶圆减薄亚表面损伤深度快速评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硅晶圆减薄亚表面损伤深度快速评估方法，属于半导体晶圆材料超精密加工领域。该方法包括确定晶圆磨削参数，计算单颗磨粒切削深度的建立，建立亚表面损伤深度与切削深度的关系，将单颗磨粒切削深度代入亚表面损伤深度与切削深度关系，得到磨削参数与亚表面损伤深度的关系，亚表面损伤深度快速评估。利用本发明提供的亚表面损伤深度快速评估方法，可以在磨削设计阶段针对不同磨削参数(磨轮目数、主轴进给速率、主轴转速、晶圆转速)硅晶圆亚表面损伤深度进行预测，提高晶圆磨削质量，降低晶圆磨削成本。

Description

一种硅晶圆减薄亚表面损伤深度快速评估方法

技术领域

本发明属于半导体晶圆材料超精密加工领域，涉及一种硅晶圆减薄亚表面损伤深度快速评估方法。

背景

半导体晶圆磨削加工是集成电路(IC)制造领域不可缺少的工艺。随着高密度、小型化电子器件的增加，超薄(厚度小于100μm)晶圆在越来越多的封装形式中被用到，如：3D集成封装，MEMS封装。通常情况下，12寸晶圆的厚度为775μm，因此约700μm厚的晶圆材料将在磨削阶段去除。基于晶圆自旋转磨削方法的晶圆减薄是当前主流的硅晶圆磨削技术。然而磨削过程中不可避免地造成硅晶圆亚表面损伤，如相变、位错、微裂纹等。这些损伤会降低晶圆强度，影响后续加工良率和封装产品可靠性。刻蚀、化学机械抛光(CMP)是消除亚表面损伤的主要方法，然而这些方法成本高，效率低。因此，评估亚表面损伤深度并通过控制磨削参数来降低亚表面损伤深度十分必要。

目前，硅晶圆减薄亚表面损伤深度预测主要采用晶圆表面粗糙度测量的方法进行，它是一种经验公式，是根据实验总结出来的。但是，一方面表面粗糙度的测量是在晶圆磨削之后进行，不能在晶圆磨削参数设计阶段提前预测；另一方面，晶圆表面粗糙度随着晶圆砂轮目数，磨削参数(主轴进给速率、主轴转速、晶圆转速)，晶圆位置分布的变化而变化。利用表面粗糙度测量的方法不能满足磨削工艺的需求。因此需要一种直接通过磨轮目数，磨削参数直接预测亚表面损伤层深度快速评估方法，并且还可以反应晶圆不同位置的亚表面损伤深度分布。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种硅晶圆减薄亚表面损伤深度快速评估方法。其步骤包括：步骤一，确定晶圆磨削参数，所述磨削参数包括：磨削机台磨轮直径，磨齿宽度，晶圆直径，磨粒尺寸，主轴进给速率，主轴转速，晶圆转速，硅晶圆材料的弹性恢复系数，晶圆、主轴结合剂材料的弹性模量，硅晶圆的断裂韧性；步骤二，计算单颗磨粒的切削深度；步骤三，建立亚表面损伤深度与切削深度的关系；步骤四，将单颗粒切削深度代入亚表面损伤深度与切削深度关系，得到磨削参数与亚表面损伤深度的关系；步骤五，将得到的磨削参数与亚表面损伤深度的关系写入程序集成于磨削机台系统，根据磨削机台设定的磨削参数，对晶圆亚表面损伤深度进行快速评估。该方法一方面可以在磨削设计阶段针对不同磨削参数(磨轮目数、主轴进给速率、主轴转速、晶圆转速)硅晶圆亚表面损伤深度进行预测，指导磨削参数的设计。另一方面，根据磨削参数确定亚表面裂纹深度，确定磨削带来的损伤程度，为以后磨削去除量和工艺控制提供指导。

本发明技术方案如下：

确定晶圆磨削参数，所述磨削参数包括：磨削机台磨轮直径，磨齿宽度，晶圆直径，磨粒尺寸，主轴进给速率，主轴转速，晶圆转速，硅晶圆材料的弹性恢复系数，晶圆、主轴结合剂材料的弹性模量，硅晶圆的断裂韧性。

计算单颗磨粒的切削深度。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去除面积与磨痕长度的乘积，dV＝A_r·dS(r)·N·β，所述，dV为材料去除体积，A_r为单颗磨粒的去除面积，N为有效磨粒数，dS(r)为半径r处磨痕轨迹长度，β为磨粒的重叠系数，其中A_r表达式为：

所述R_e为磨轮磨粒半径,μ为残余深度与切削深度的比值，R_e-Y_w为最大切削深度；N表达式为：

所述L为磨轮的周长，W为磨齿的宽度，γ磨粒体积分数；dS(r)表达式为

所述R_s为主轴半径，r为距离晶圆中心的距离将单颗磨粒的去除面积A_r和磨粒数量N代入dV得到总的材料去除体积，

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用磨削参数表示：

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。根据质量守恒原则，两种方法得到的材料去除体积相同，得到晶圆的最大切削深度d_c：

此外，磨削过程中磨轮与硅晶圆的弹性变形也应该考虑，因此磨粒的最大切削深度可以进一步写成：

所述指数n为常数，取值0.548，E₁和E₀分别为磨粒结合剂材料和硅晶圆材料的弹性模量；

建立亚表面损伤深度与切削深度的关系。亚表面损伤深度模型可以根据纳米划痕断裂力学理论进行计算，表示为，

所述c为亚表面损伤深度，ψ为压头尖端角度的一半。E，K_c和H_s分别为硅晶圆的弹性模量，断裂韧性，划痕硬度。δ为弹性恢复系数；对于金刚石磨粒来说，tanψ表示为：

因此，亚表面损伤层深度可以表示为：

硅晶圆是各向异性材料，对于Si(100)晶圆来说，当划痕方向为<110>晶向时，裂纹更倾向于沿着{111}面<112>晶向断裂，当划痕方向为<100>晶向时，裂纹更倾向于沿着{110}面<110>晶向，因此亚表面损伤深度需要分别表示为：

所述下标<>表示晶圆的径向，下标{}表示晶圆的晶面。

进一步地，将单颗粒切削深度d_c代入亚表面损伤深度与切削深度关系中，得到磨削参数与亚表面损伤深度的关系；

最后，将得到的磨削参数与亚表面损伤深度的关系写入程序集成于磨削机台系统，根据磨削机台设定的磨削参数，对晶圆亚表面损伤深度进行快速评估。

有益效果

利用本发明一方面可以在磨削设计阶段针对不同磨轮目数、磨削参数(主轴进给速率、主轴转速、晶圆转速)、晶圆晶向亚表面损伤深度进行预测，指导磨削参数的设计。另一方面可以将该方法集成于磨削机台上，根据磨削参数直接计算出亚表面裂纹深度，确定磨削带来的损伤程度，为以后磨削去除量和工艺控制提供指导。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为亚表面损伤深度实验结果与理论结果对比。其中图2(a)为亚表面损伤深度沿<110>晶向的结果，图2(b)为亚表面损伤层深度沿<100>晶向的结果。

具体实施方式

为使本发明能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明：

如图1流程图所示，首先确定晶圆磨削参数，所述磨削参数包括：磨削机台磨轮直径，磨齿宽度，晶圆直径，磨粒尺寸，主轴进给速率，主轴转速，晶圆转速，硅晶圆材料的弹性恢复系数，晶圆、主轴结合剂材料的弹性模量，硅晶圆的断裂韧性。

计算单颗磨粒的切削深度。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去除面积与磨痕长度的乘积，dV＝A_r·dS(r)·N·β，所述，dV为材料去除体积，A_r为单颗磨粒的去除面积，N为有效磨粒数，dS(r)为半径r处磨痕轨迹长度，β为磨粒的重叠系数，其中A_r表达式为：

所述R_e为磨轮磨粒半径,μ为残余深度与切削深度的比值，R_e-Y_w为最大切削深度；N表达式为：

所述L为磨轮的周长，W为磨齿的宽度，γ磨粒体积分数；dS(r)表达式为

所述R_s为主轴半径，r为距离晶圆中心的距离将单颗磨粒的去除面积A_r和磨粒数量N代入dV得到总的材料去除体积，

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用磨削参数表示：

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。根据质量守恒原则，两种方法得到的材料去除体积相同，得到晶圆的最大切削深度d_c：

此外，磨削过程中磨轮与硅晶圆的弹性变形也应该考虑，因此磨粒的最大切削深度可以进一步写成：

所述指数n为常数，取值0.548，E₁和E₀分别为磨粒结合剂材料和硅晶圆材料的弹性模量；

建立亚表面损伤深度与切削深度的关系。亚表面损伤深度模型可以根据纳米划痕断裂力学理论进行计算，表示为，

所述c为亚表面损伤深度，ψ为压头尖端角度的一半。E，K_c和H_s分别为硅晶圆的弹性模量，断裂韧性，划痕硬度。δ为弹性恢复系数；对于金刚石磨粒来说，tanψ表示为：

因此，亚表面损伤层深度可以表示为：

硅晶圆是各向异性材料，对于Si(100)晶圆来说，当划痕方向为<110>晶向时，裂纹更倾向于沿着{111}面<112>晶向断裂，当划痕方向为<100>晶向时，裂纹更倾向于沿着{110}面<110>晶向，因此亚表面损伤深度需要分别表示为：

所述下标<>表示晶圆的径向，下标{}表示晶圆的晶面。

进一步地，将单颗粒切削深度d_c代入亚表面损伤深度与切削深度关系中，得到磨削参数与亚表面损伤深度的关系；

亚表面损伤深度的试验测量：

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，利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。在扫描电子显微镜下观测，并测量裂纹的最大垂直深度c。

图2所述为本专利提出的方法和实验观测对比，其中图2(a)为沿<110>晶向的裂纹深度。所述101a为根据本专利提出的预测方法预测的结果。所述102a为#320磨轮实验结果，103a为#600磨轮实验结果，104a为#2000磨轮实验结果。实验结果与理论预测结果平均误差8.09％。图2(b)为沿<100>晶向的亚表面损伤深度。所述101b为根据本专利提出的预测方法预测的结果。所述102b为#320磨轮实验结果，103b为#600磨轮实验结果，104b为#2000磨轮实验结果。实验结果与理论预测结果平均误差10.45％。

最后，将得到的磨削参数与亚表面损伤深度的关系写入程序集成于磨削机台系统，根据磨削机台设定的磨削参数，对晶圆亚表面损伤深度进行快速评估。

Claims (3)

1.一种硅晶圆减薄亚表面损伤深度快速评估方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一，确定晶圆磨削参数，所述磨削参数包括：磨削机台磨轮直径，磨齿宽度，晶圆直径，磨粒尺寸，主轴进给速率，主轴转速，晶圆转速，硅晶圆材料的弹性恢复系数，晶圆、主轴结合剂材料的弹性模量，硅晶圆的断裂韧性；步骤二，计算单颗磨粒的切削深度；步骤三，建立亚表面损伤深度与切削深度的关系；步骤四，将单颗粒切削深度代入亚表面损伤深度与切削深度关系，得到磨削参数与亚表面损伤深度的关系；步骤五，将得到的磨削参数与亚表面损伤深度的关系写入程序集成于磨削机台系统，根据磨削机台设定的磨削参数，对晶圆亚表面损伤深度进行评估。

2.根据权利要求1所述的硅晶圆减薄亚表面损伤深度快速评估方法，其特征在于，计算单颗磨粒的切削深度；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去除面积与磨痕长度的乘积，dV＝A_r·dS(r)·N·β， 所述dV为材料去除体积，A_r为单颗磨粒的去除面积，N为有效磨粒数，dS(r)为半径r处磨痕轨迹长度，β为磨粒的重叠系数，其中A_r表达式为：

所述R_e为磨轮磨粒半径,μ为残余深度与切削深度的比值，R_e-Y_w为最大切削深度；

N表达式为：

所述L为磨轮的周长，W为磨齿的宽度，γ磨粒体积分数；

将单颗磨粒的去除面积A_r和磨粒数量N代入dV得到总的材料去除体积，

所述R_s为主轴半径，r为距离晶圆中心的距离；

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用磨削参数表示：

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；

根据质量守恒原则，两种方法得到的材料去除体积相同，得到晶圆的最大切削深度d_c：

此外，磨削过程中磨轮与硅晶圆的弹性变形也应该考虑，因此磨粒的最大切削深度进一步写成：

所述指数n为常数，取值0.548，E₁和E₀分别为磨粒结合剂材料和硅晶圆材料的弹性模量。

3.根据权利要求1所述的硅晶圆减薄亚表面损伤深度快速评估方法，其特征在于，亚表面损伤深度模型根据纳米划痕断裂力学理论进行计算，表示为，

所述c为亚表面损伤深度，ψ为压头尖端角度的一半；E，K_c和H_s分别为硅晶圆的弹性模量，断裂韧性，划痕硬度；δ为弹性恢复系数；

tanψ表示为：

因此，亚表面损伤层深度表示为：

硅晶圆是各向异性材料，对于Si(100)晶圆来说，当划痕方向为<110>晶向时，裂纹更倾向于沿着{111}面<112>晶向断裂，当划痕方向为<100>晶向时，裂纹更倾向于沿着{110}面<110>晶向，因此亚表面损伤深度需要分别表示为：

所述下标<>表示晶圆的径向，下标{}表示晶圆的晶面。

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