CN113231957A - 基于双面研磨设备的晶片研磨工艺及半导体晶片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于双面研磨设备的晶片研磨工艺及半导体晶片,该晶片研磨工艺包括以下步骤:驱动太阳轮和内齿圈分别绕太阳轮的中心轴线同向自转;调控太阳轮和内齿圈的转速大小以调节游星轮的自转方向以及公转速度;驱动上研磨盘和下研磨盘分别绕太阳轮的中心轴线自转;下研磨盘的转动方向与太阳轮和内齿圈的转动方向相同;上研磨盘的转动方向和下研磨盘的转动方向相反;下研磨盘的转动角速度大于上研磨盘的转动角速度;上研磨盘、下研磨盘、太阳轮和内齿圈的转速关系满足:ω下‑ω上=2(ω太R太+ω内R内)/(R太+R内)。通过优化双面研磨设备的运行参数获得低TTV、LTV、Bow、Warp的晶片。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料加工技术领域,具体涉及一种基于双面研磨设备的晶片研磨工艺及半导体晶片。
背景技术
随着半导体产业的快速发展,人们对碳化硅、蓝宝石等半导体产品表面质量和面型精度的要求更高,需要不断克服其加工技术难题来满足该产业未来的发展需要。而研磨抛光技术作为一种精密、超精密加工手段,在该领域起到了举足轻重的作用。因此,研究研磨工艺对提升材料去除的均匀性具有重要的意义,这对优化研磨抛光加工工艺参数和磨盘表面磨损等均具有重要的理论和实用价值。
为获得表面几何参数和质量达到抛光要求的晶片,需要对晶片进行研磨。晶片的研磨是加工工艺中最为重要的工序之一,在这个加工阶段中,要对晶片完成整形研磨,以去除晶片表面的刀痕、划痕和各种前期加工造成的损伤并达到预定厚度,同时控制晶片的翘曲度(Warp)、弯曲度(Bow)、总厚度偏差(TTV)、局部厚度偏差(LTV)、表面粗糙度等指标,得到均匀平整的表面,为后面的晶片抛光工艺奠定良好的基础。
采用双面研磨工艺,与单面研磨工艺相比,因为减少了粘蜡、翻面等工序,能提高加工效率,同时获得几何尺寸更好的晶片。研磨机上下研磨盘在电机的带动下分别绕着中心轴以顺、逆时针方向转动,游星轮在太阳轮和内齿圈的带动下,连同游星轮片槽内的晶片一起绕着中心轴做公转和自转运动。游星轮的运动模式对晶片表面材料去除均匀性以及研磨盘损耗的影响很大。
在传统的双面研磨过程中,对研磨转速的相互匹配度重视度不够,会导致研磨后晶片的质量达不到生产工艺要求,常常出现Bow、Warp等指标超过标准而产生废片,严重影响生产质量和生产成本。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于双面研磨设备的晶片研磨工艺及半导体晶片,通过优化双面研磨设备的运行参数,对半导体晶片进行表面平整加工,保证晶片在加工过程中上下表面去除情况相同,获得低TTV、LTV、Bow、Warp的晶片,以解决传统的双面研磨过程中研磨转速的匹配度不足而导致研磨后晶片的质量达不到生产工艺要求的技术问题。
为了实现上述目的,根据本发明的第一方面,提供了一种基于双面研磨设备的晶片研磨工艺。
该基于双面研磨设备的晶片研磨工艺中所述双面研磨设备包括上研磨盘、下研磨盘、太阳轮、内齿圈和至少一个游星轮;所述上研磨盘和所述下研磨盘上下配合,所述太阳轮设置在所述上研磨盘和所述下研磨盘的中心处,所述内齿圈套设在所述上研磨盘和所述下研磨盘外侧,并且所述上研磨盘、所述下研磨盘、所述太阳轮和所述内齿圈同轴心设置;所述游星轮啮合在所述太阳轮和所述内齿圈之间;所述游星轮用于承载待加工工件;
所述晶片研磨工艺包括以下步骤:
驱动所述太阳轮和所述内齿圈分别绕所述太阳轮的中心轴线同向自转;
调控所述太阳轮和所述内齿圈的转速大小以调节所述游星轮的自转方向以及公转速度;
驱动所述上研磨盘和所述下研磨盘分别绕所述太阳轮的中心轴线自转;其中,
所述下研磨盘的转动方向与所述太阳轮和所述内齿圈的转动方向相同;所述上研磨盘的转动方向和所述下研磨盘的转动方向相反;所述下研磨盘的转动角速度大于所述上研磨盘的转动角速度;所述上研磨盘、所述下研磨盘、所述太阳轮和所述内齿圈的转速关系满足:
ω下-ω上=2(ω太R太+ω内R内)/(R太+R内);
其中,ω下为下研磨盘的自转角速度;ω上为上研磨盘的自转角速度;ω太为太阳轮的自转角速度;ω内为内齿圈的自转角速度;R太为太阳轮的自转半径;R内为内齿圈绕太阳轮的中心轴线自转的半径。
进一步的,所述游星轮轴心的线速度为ω公R公;
其中,ω公为游星轮的公转角速度;R公为游星轮的公转半径,R公=(R内+R太)/2。
进一步的,所述游星轮与所述太阳轮的接触点相对所述游星轮轴心的线速度为ω自R自,且其方向与所述游星轮轴心线速度的方向相反;
其中,ω自为游星轮的自转角速度;R自为太阳轮的自转半径,R自=(R内-R太)/2。
进一步的,所述游星轮与所述太阳轮的接触点相对于所述游星轮轴心的线速度等于所述游星轮与所述太阳轮的接触点相对于所述太阳轮中心轴的线速度,即ω公R公-ω自R自=ω太R太。
进一步的,所述游星轮与所述内齿圈的接触点相对所述游星轮轴心的线速度和所述游星轮与所述太阳轮的接触点相对所述游星轮轴心的线速度相同,即为ω自R自,并且所述游星轮与所述内齿圈的接触点相对所述游星轮轴心的线速度的方向与所述游星轮轴心线速度的方向相同。
进一步的,所述游星轮与所述内齿圈的接触点相对于所述游星轮轴心的线速度等于所述游星轮与所述内齿圈的接触点相对所述内齿圈绕太阳轮中心轴线的线速度,即ω公R公+ω自R自=ω内R内。
进一步的,所述待加工件与所述上研磨盘的相对速度等于所述待加工件与所述下研磨盘的相对速度,即ω下-ω公=ω上+ω公。
进一步的,所述太阳轮半径正比于所述太阳轮齿数;所述内齿圈半径正比于所述内齿圈齿数。
为了实现上述目的,根据本发明的第二方面,提供了一种半导体晶片。
采用上述的晶片研磨工艺加工得到的半导体晶片,所述半导体晶片的翘曲度≤5μm,弯曲度≤5μm,总厚度偏差≤2μm,局部厚度偏差≤0.2μm。
本发明通过优化双面研磨设备的运行参数,对半导体晶片进行表面平整加工,保证晶片在加工过程中上下表面去除情况相同,获得低TTV、LTV、Bow、Warp的晶片,同时提高研磨设备上下盘面的平整度,减少盘面整修工作。
本发明通过设计合理的研磨工艺参数,可以获得平整度较高的晶片的同时保证晶片上下表面去除率的均匀性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
图1为本发明实施例中双面研磨设备的纵向截面示意图;
图2为本发明实施例中双面研磨设备的俯视结构示意图;
图3为本发明实施例中游星轮公转原理图。
图中:
1、太阳轮;2、上研磨盘;3、待加工工件;4、游星轮;5、内齿圈;6、下研磨盘。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明提供了一种双面研磨设备,该双面研磨设备包括上研磨盘2、下研磨盘6、太阳轮1、内齿圈5和游星轮4,并且可以根据实际需要设置游星轮4的数量。
如图1和图2所示,上研磨盘2和下研磨盘6上下相互配合,太阳轮1设置在上研磨盘2和下研磨盘6的中心处,内齿圈5套设在上研磨盘2和所述磨盘6外侧,并且上研磨盘2、下研磨盘6、太阳轮1和内齿圈5同轴心设置;游星轮4啮合在太阳轮1和内齿圈5之间;游星轮4用于承载待加工工件。
在本发明的实施例中,上研磨盘2、下研磨盘6、太阳轮1和内齿圈5可以分别通过不同的驱动装置(未图示)驱动,从而可以分别调整上研磨盘2、下研磨盘6、太阳轮1以及内齿圈5的转速。
在本发明的实施例中,上研磨盘2、下研磨盘6、太阳轮1和内齿圈5均绕着太阳轮1的中心轴线转动。
研磨时,待加工工件3,如晶片,可以通过游星轮4上的工件槽定位在游星轮4上,然后将定位有晶片的游星轮4放置于下研磨盘6上,同时游星轮4处于太阳轮1与内齿圈5之间,游星轮4分别与太阳轮1和内齿圈5啮合,太阳轮1与内齿圈5之间可放置多个游星轮4,驱动上研磨盘2向下靠近下研磨盘6,使上研磨盘2与晶片的上端面接触,然后按照本发明中的研磨工艺设置特定的转速,开始研磨。
本发明提供了一种晶片研磨工艺,并且该研磨工艺基于上述的双面研磨设备。
由于定位有晶片的游星轮4与上研磨盘2的相对运动速度影响晶片上表面的材料去除均匀性,定位有晶片的游星轮4与下研磨盘6的相对运动速度影响晶片下表面的材料去除均匀性;因此本发明的研磨工艺中通过控制上研磨盘2、下研磨盘6、太阳轮1以及内齿圈5的转速,确保晶片在加工过程中其上下表面去除情况相同,加工后晶片残余应力才会均匀,同时保证晶片的面型稳定。
图3示出了本发明中游星轮的公转原理图,本发明中的研磨工艺流程如下:
利用驱动机构分别驱动太阳轮1和内齿圈5绕其自身的轴线,也即绕太阳轮1的中心轴线转动。
由于游星轮4分别与太阳轮1及内齿圈5啮合,游星轮4绕自身的轴线自转和绕太阳轮1的中心轴线公转,因此可以通过调节太阳轮1和内齿圈5的转速改变游星轮4自转的方向以及公转的速度。
利用驱动机构分别驱动上研磨盘2和下研磨盘6向相反的方向转动,使得晶片与上研磨盘和下研磨盘产生相对运动,因而使上研磨盘和下研磨盘分别对晶片的两面进行研磨操作。
在发明的实施例中,由于下研磨盘6、太阳轮1以及内齿圈5的转动方向均相同,而上研磨盘2沿着与下研磨盘6相反的方向转动,所以游星轮4的公转方向与太阳轮1、内齿圈5的自转方向相同,而且考虑到设备的稳定性,下研磨盘6的转动角速度通常都大于上研磨盘2的转动角速度。
游星轮4的自转方向取决于太阳轮1和内齿圈5的转速大小。当内齿圈5的转速大于太阳轮1的转速时,游星轮4自转方向与太阳轮1以及内齿圈5的转动方向相同;而当内齿圈5的转速小于太阳轮1的转速时,游星轮4自转方向与太阳轮1以及内齿圈5的转动方向相反。
在本发明的实施例中,由于游星轮4分别与太阳轮1和内齿圈5啮合传动,所以游星轮4的公转角速度ω公及自转角速度ω自由太阳轮1的自转角速度ω太以及内齿圈5的自转角速度ω内决定。
如图3所示,太阳轮1的线速度为ω太R太;其中,ω太为太阳轮的自转角速度;R太为太阳轮的自转半径。
内齿圈5的线速度为ω内R内;其中,ω内为内齿圈的自转角速度;R内为内齿圈绕太阳轮的中心轴线自转的半径。
如图3所示,游星轮4在游星轮4与太阳轮1接触点处的线速度等于太阳轮1在该接触点处的线速度。
相同的原理,游星轮4在游星轮4与内齿圈5接触点处的线速度等于内齿圈5在该接触点处的线速度。
游星轮4轴心的线速度为ω公R公;其中,R公为游星轮的公转半径,即即R公=(R内+R太)/2。
游星轮4的自转使得游星轮4与太阳轮1的接触点相对游星轮4轴心的线速度为-ω自R自,其中,“-”表示其方向与游星轮4轴心线速度的方向相反;R自为游星轮的自转半径,即R自=(R内-R太)/2。
因此游星轮4在该接触点处相对于其轴心的线速度ω公R公-ω自R自,必须等于太阳轮1在该接触点处的线速度ω太R太,即ω公R公-ω自R自=ω太R太。
相同的,游星轮4的自转导致游星轮4与内齿圈5的接触点相对游星轮4轴心的线速度为ω自R自(方向与游星轮质心线速度方向相同),因此游星轮4在该接触点处相对于轴心的线速度ω公R公+ω自R自,必须等于内齿圈5在该接触点处的线速度ω内R内,即ω公R公+ω自R自=ω内R内。
因此,ω公=(ω太R太+ω内R内)/(R太+R内)。
在本发明的实施例中,为了保证晶片在加工过程中上下表面去除情况相同,晶片与上研磨盘2的相对速度等于晶片与下研磨盘6的相对速度,即ω下-ω公=ω上+ω公;其中,ω下为下研磨盘的自转角速度,ω上为上研磨盘的自转角速度。
所以,ω公=(ω下-ω上)/2=(ω太R太+ω内R内)/(R太+R内)。由此确定了双面研磨设备中上研磨盘2、下研磨盘6、太阳轮1和内齿圈5四个可调节转速之间的关系(ω下-ω上)=2(ω太R太+ω内R内)/(R太+R内)。
按照本发明中研磨转速关系的调节,可以获得平整度较高的晶片,同时保证晶片上下表面去除率的均匀性。
本发明的实施例中,经过研磨工艺后,晶片的翘曲度≤5μm,弯曲度≤5μm,总厚度偏差≤2μm,局部厚度偏差≤0.2μm。
以下将通过具体实施例对本发明的研磨工艺作进一步说明。
实施例1:
设备选择16B双面研磨机,其中太阳轮半径、内齿圈半径正比于太阳轮齿数、内齿圈齿数。太阳轮齿数为160,内齿圈齿数为560,所以令R太为160,R内为560。
晶片选择厚度为790μm的4寸蓝宝石晶片,研磨液选择粒度为60μm的碳化硼悬浮液,研磨压力为20g/cm2,同时研磨一批次,其中一批次有40片蓝宝石晶片,研磨时间为一个小时。
设定上研磨盘、下研磨盘、太阳轮、内齿圈的转速,设定转速满足(ω下-ω上)=2(ω太R太+ω内R内)/(R太+R内)该关系式的研磨工艺参数,设定值如下表1。
表1
(ω下-ω上)=39-13=26
2(ω太R太+ω内R内)/(R太+R内)=2*(6*160+15*560)/(160+560)=26
(ω下-ω上)=2(ω太R太+ω内R内)/(R太+R内)
研磨前后,40片蓝宝石晶片参数平均值对比如下表2。
表2
对比实施例1:
设备选择16B双面研磨机,其中太阳轮半径、内齿圈半径正比于太阳轮齿数、内齿圈齿数。太阳轮齿数为160,内齿圈齿数为560,所以令R太为160,R内为560。
晶片选择厚度为790μm的4寸蓝宝石晶片,研磨液选择粒度为60μm的碳化硼悬浮液,研磨压力为20g/cm2,同时研磨一批次,其中一批次有40片蓝宝石晶片,研磨时间为一个小时。
设定上研磨盘、下研磨盘、太阳轮、内齿圈的转速,设定转速不满足(ω下-ω上)=2(ω太R太+ω内R内)/(R太+R内)该关系式的研磨工艺参数,设定值如下表3。
表3
(ω下-ω上)=39-13=26
2(ω太R太+ω内R内)/(R太+R内)=2*(6*160+10*560)/(160+560)=18.2
(ω下-ω上)≠2(ω太R太+ω内R内)/(R太+R内)
研磨前后,40片蓝宝石晶片参数平均值对比如下表4。
表4
对比试验结果发现,通过采用本发明中转速比优化双面研磨设备的运行参数,对蓝宝石晶片进行表面平整加工,可以保证晶片在加工过程中上下表面去除情况相同,获得低TTV、LTV、Bow、WARP的晶片。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于双面研磨设备的晶片研磨工艺,其特征在于,所述双面研磨设备包括上研磨盘、下研磨盘、太阳轮、内齿圈和至少一个游星轮;所述上研磨盘和所述下研磨盘上下配合,所述太阳轮设置在所述上研磨盘和所述下研磨盘的中心处,所述内齿圈套设在所述上研磨盘和所述下研磨盘外侧,并且所述上研磨盘、所述下研磨盘、所述太阳轮和所述内齿圈同轴心设置;所述游星轮啮合在所述太阳轮和所述内齿圈之间;所述游星轮用于承载待加工工件;
所述晶片研磨工艺包括以下步骤:
驱动所述太阳轮和所述内齿圈分别绕所述太阳轮的中心轴线同向自转;
调控所述太阳轮和所述内齿圈的转速大小以调节所述游星轮的自转方向以及公转速度;
驱动所述上研磨盘和所述下研磨盘分别绕所述太阳轮的中心轴线自转;其中,
所述下研磨盘的转动方向与所述太阳轮和所述内齿圈的转动方向相同;所述上研磨盘的转动方向和所述下研磨盘的转动方向相反;所述下研磨盘的转动角速度大于所述上研磨盘的转动角速度;所述上研磨盘、所述下研磨盘、所述太阳轮和所述内齿圈的转速关系满足:
ω下-ω上=2(ω太R太+ω内R内)/(R太+R内);
其中,ω下为下研磨盘的自转角速度;ω上为上研磨盘的自转角速度;ω太为太阳轮的自转角速度;ω内为内齿圈的自转角速度;R太为太阳轮的自转半径;R内为内齿圈绕太阳轮的中心轴线自转的半径。
2.根据权利要求1所述的基于双面研磨设备的晶片研磨工艺,其特征在于,所述游星轮轴心的线速度为ω公R公;
其中,ω公为游星轮的公转角速度;R公为游星轮的公转半径,R公=(R内+R太)/2。
3.根据权利要求2所述的基于双面研磨设备的晶片研磨工艺,其特征在于,所述游星轮与所述太阳轮的接触点相对所述游星轮轴心的线速度为ω自R自,且其方向与所述游星轮轴心线速度的方向相反;
其中,ω自为游星轮的自转角速度;R自为太阳轮的自转半径,R自=(R内-R太)/2。
4.根据权利要求3所述的基于双面研磨设备的晶片研磨工艺,其特征在于,所述游星轮与所述太阳轮的接触点相对于所述游星轮轴心的线速度等于所述游星轮与所述太阳轮的接触点相对于所述太阳轮中心轴的线速度,即ω公R公-ω自R自=ω太R太。
5.根据权利要求4所述的基于双面研磨设备的晶片研磨工艺,其特征在于,所述游星轮与所述内齿圈的接触点相对所述游星轮轴心的线速度和所述游星轮与所述太阳轮的接触点相对所述游星轮轴心的线速度相同,即为ω自R自,并且所述游星轮与所述内齿圈的接触点相对所述游星轮轴心的线速度的方向与所述游星轮轴心线速度的方向相同。
6.根据权利要求5所述的基于双面研磨设备的晶片研磨工艺,其特征在于,所述游星轮与所述内齿圈的接触点相对于所述游星轮轴心的线速度等于所述游星轮与所述内齿圈的接触点相对所述内齿圈绕太阳轮中心轴线的线速度,即ω公R公+ω自R自=ω内R内。
7.根据权利要求5所述的基于双面研磨设备的晶片研磨工艺,其特征在于,所述待加工件与所述上研磨盘的相对速度等于所述待加工件与所述下研磨盘的相对速度,即ω下-ω公=ω上+ω公。
8.根据权利要求1所述的基于双面研磨设备的晶片研磨工艺,其特征在于,所述太阳轮半径正比于所述太阳轮齿数;所述内齿圈半径正比于所述内齿圈齿数。
9.一种采用权利要求1-8任一项所述的晶片研磨工艺加工得到的半导体晶片,其特征在于,所述半导体晶片的翘曲度≤5μm,弯曲度≤5μm,总厚度偏差≤2μm,局部厚度偏差≤0.2μm。
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