CN115319564A - 基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及晶圆减薄技术领域，更具体地，涉及一种基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置和方法，其中装置包括工作台、横向移动机构、均可上下移动的磨削机构及抛光机构、可自转的回转装夹机构、控制系统，横向移动机构与回转装夹机构均装设于工作台上，磨削机构与抛光机构并排设置且均与横向移动机构滑动连接，控制系统分别与横向移动机构、磨削机构、抛光机构、回转装夹机构信号连接。本发明提供一种基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置，将磨削及抛光两个设备集成于一个装置中，可使工件经过一次装夹即完成两道不同工序的加工，降低晶圆在不同的加工工序转运过程中造成碎裂的风险，而且集成后的装置体积较小，结构相对简单。

Description

基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置和方法
技术领域
本发明涉及晶圆减薄技术领域，更具体地，涉及一种基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置和方法。
背景技术
晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆；在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能之IC产品。伴随着器件微型化的趋势，三维堆叠密度的增加对晶圆的厚度提出了更薄的要求。在三维集成技术中，将加工好的晶圆背面减薄至50μm以下是无可避免的，而晶圆减薄过程的效率和良率又直接影响芯片加工的产量和成本。
目前最常用的晶圆减薄方法是先进行机械磨削，然后进行化学机械抛光或刻蚀。作为两种截然不同的加工方法，一般都是在两台设备上分两步进行，这种分两步进行的减薄方法造成设备投资过大，且增加了超薄晶圆在运输过程中破碎的风险。
传统的磨削减薄主要是基于恒定进给方式进行，但此方式存在由于机床性能稳定性，特别是轴向进给装置精度不够高引起的进给速度变动，使得磨削力的过大变动从而导致晶圆破损的风险。为了避免这种风险，需要采用进给速度和工件转速稳定性极高的超精密磨床，这又进一步导致设备投资的过大。此外，轴向进给装置的精度也限制了超细金刚石砂轮的应用。在晶圆磨削减薄的过程中，磨粒的切深受转速和进给速度的影响，一方面，对于实现塑性域去除所需的小切深需要主轴进给精度很高，带来了成本的提高。另一方面，反过来受进给机构精度的影响，限制了超细金刚石磨粒使用，造成了磨削损伤层无法精确控制，导致后续的化学机械抛光过程去除量增加，整体加工效率大大降低。
化学机械抛光一般使用含有游离磨粒的磨浆，通过化学反应和机械作用协同来实现材料去除，磨浆中的化学成分首先与晶圆表面发生化学反应产生软化层，软化层随后被磨粒通过机械作用去除，进而实现近乎原子尺度的光滑表面。但产生的良好的表面质量是以牺牲材料去除速率为代价的，基于游离磨粒的化学机械抛光材料去除效率每分钟只有几十或几百纳米，大量游离磨粒被证明没有参与到材料去除过程，效率远低于机械磨削。此外，基于游离磨粒加工还会带来诸如面型精度差、晶圆厚度偏差（TTV）大以及边缘破环严重及质量差等缺点。
由于磨削及抛光的加工原理的不同，采用游离磨粒进行抛光时需要采用的抛光垫体积较大，如果将磨削与抛光集成于一体，会造成设备体积过大，装置复杂，且同样会增加晶圆输送和装夹的次数，增大了晶圆在加工或装夹过程中破碎的风险。
中国专利公开了一种超声振动辅助磨削与磁力抛光的复合加工系统及方法，其超声振动使得金刚石砂轮或工件存在强迫往复振动，促使工作液中悬浮磨粒冲蚀被加工表面与修锐砂轮表面。当砂轮因振动离开接触工件时，磁流变液在流经砂轮与工件的间隙时，因受磁场力作用而发生磁流变效应，迅速固化而形成“弹性抛光膜”，磁流体里容纳的硬质磨粒均匀分布在“弹性抛光膜”表面，实现工件光整加工与砂轮修锐。当砂轮因振动恢复接触工件时，又直接参与磨削工件表面，砂轮的强迫往复振动，使得其与工件之间存在频繁的脉冲切削作用。先磨削后抛光属于次序加工，不同方法各司其职，工艺流程明确，自动化程度高，适合于工厂大规模加工。而上述专利属于将磨削和抛光放到一个工序中，属于典型的复合加工，设备复杂、成本高，而且这种复合加工，从严格意义上来说，是无法使工件达到单独的抛光工序的精度及质量要求的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置，将磨削及抛光两个设备集成于一个装置中，可使工件经过一次装夹即完成两道不同工序的加工，降低晶圆在不同的加工工序转运过程中造成碎裂的风险，而且集成的装置体积较小，结构相对简单。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置，包括工作台、横向移动机构、均可上下移动的磨削机构及抛光机构、可自转的回转装夹机构、控制系统，所述横向移动机构与所述回转装夹机构均装设于所述工作台上，所述磨削机构与所述抛光机构并排设置，且均与横向移动机构滑动连接，所述控制系统分别与横向移动机构、磨削机构、抛光机构、回转装夹机构信号连接。
本发明的工作台用于对横向移动机构及回转装夹机构进行支撑，横向移动机构可使磨削机构及抛光机构在横向上进行位置移动，以便于调整磨削机构与抛光机构的位置，使其在磨削或抛光时位于回转装夹机构的上方；磨削机构用于执行磨削操作，抛光机构用于执行抛光操作；回转装夹机构用于对工件进行固定，同时可带动工件旋转，以满足加工需求；磨削机构及抛光机构均可进行上下移动，以满足对工件进行磨削或抛光；控制系统用于对各机构进行统一调配，以有序地完成整个工件的自动化加工过程。此处的工件指晶圆，本发明的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置应用于晶圆减薄加工，将磨削减薄和应力消除的抛光工序集成在同一台装置上，通过一次装夹就可将晶圆无损的减薄到指定厚度，兼顾磨削和化学机械抛光过程，在磨削过程中具有极其优越的材料去除速率。化学机械抛光利用化学反应来实现晶圆的有效去除，可以提供超光滑表面且表面无明显加工应力，有效地用于超薄硅晶圆的制备，展现了优越的应用前景。在本领域技术人员的认知范围内，本发明针对的硬脆性晶圆材料包括但不限于单晶硅、石英玻璃、碳化硅、氮化镓和蓝宝石等。
优选地，所述磨削机构包括磨削移动机架、磨削组件、恒压控制的磨削移动组件，所述磨削移动机架与横向移动机构滑动连接，所述恒压控制的磨削移动组件装设于磨削移动机架且与磨削组件连接，恒压控制的磨削移动组件还与控制系统信号连接。
优选地，在磨削移动机架上还装设有第一纵向移动组件，所述恒压控制的磨削移动组件装设在所述第一纵向移动组件上且与其滑动连接，第一纵向移动组件还与控制系统信号连接。
优选地，所述恒压控制的磨削移动组件包括磨削配重块、磨削传动件、至少两个磨削滑轮、磨削导轨，所述磨削导轨装设于所述第一纵向移动组件上且与磨削组件滑动连接；两个磨削滑轮分别装设于横向移动机构顶部两侧，所述磨削配重块放置于横向移动机构远离磨削机构的侧部，所述磨削传动件分别绕过两个磨削滑轮且两端分别与磨削配重块及磨削组件连接。
优选地，所述第一纵向移动组件包括第一螺母座、第一丝杆、第一电机、第一导轨，所述第一丝杆装设于所述第一电机输出轴，所述第一螺母座与第一丝杆组成丝杆螺母传动副，第一螺母座与所述第一导轨滑动连接，所述磨削导轨装设于第一螺母座，所述第一电机与控制系统信号连接。
优选地，所述抛光机构包括抛光移动机架、抛光组件、恒压控制的抛光移动组件，所述抛光移动机架与所述磨削移动机架并排设置，且与横向移动机构滑动连接，在抛光移动机架上还装设有第二纵向移动组件，所述恒压控制的抛光移动组件装设在所述第二纵向移动组件上且与其滑动连接，所述抛光组件与恒压控制的抛光移动组件连接，抛光移动机架、抛光组件、恒压控制的抛光移动组件、第二纵向移动组件均与控制系统信号连接。
优选地，所述恒压控制的抛光移动组件包括抛光配重块、抛光传动件、至少两个抛光滑轮、抛光导轨，所述抛光导轨装设于所述第二纵向移动组件上且与抛光组件滑动连接；两个抛光滑轮分别装设于横向移动机构顶部两侧，所述抛光配重块放置于横向移动机构远离抛光机构的侧部，所述抛光传动件分别绕过两个抛光滑轮且两端分别与抛光配重块及抛光组件连接。
优选地，所述第二纵向移动组件包括第二螺母座、第二丝杆、第二电机、第二导轨，所述第二丝杆装设于所述第二电机输出轴，所述第二螺母座与第二丝杆组成丝杆螺母传动副，第二螺母座与所述第二导轨滑动连接，所述抛光导轨装设于第二螺母座，所述第二电机与控制系统信号连接。
优选地，所述磨削机构底部设有第一砂轮，所述抛光机构底部设有第二砂轮，所述第一砂轮与所述第二砂轮中至少有一个是固结磨粒砂轮。
优选地，所述第一砂轮为金刚石砂轮，所述第二砂轮为使用金属氧化物颗粒和结合剂制成的固结磨粒砂轮。
优选地，所述回转装夹机构为气浮工作台。
本发明还提供一种基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄方法，采用如上所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置进行加工，包括以下具体步骤：
S1：将工件放置在回转装夹机构上，利用回转装夹机构对工件进行夹紧固定；
S2：开启回转装夹机构，使其带动工件进行旋转；
S3：通过横向移动机构将磨削机构移动至回转装夹机构上方；
S4：开启磨削机构并使磨削机构下移至与工件接触；
S5：利用磨削机构对工件进行恒压磨削；
S6：磨削完毕后，移离磨削机构，并通过横向移动机构将抛光机构移动至回转装夹机构上方；
S7：开启抛光机构并使抛光机构下移至与工件接触；
S8：利用抛光机构对工件进行抛光；
S9：抛光完毕后，移离抛光机构，并关闭回转装夹机构，将工件取出。
进一步地，在所述步骤S9后对工件进行检测，若工件的TTV总厚度变化偏差小于3μm，表面粗糙度小于Ra1nm，表面应力小于200MPa则为合格品，若不满足上述条件之一，则返回步骤S1重新加工。
进一步地，所述步骤S5具体包括以下步骤：
S51：对工件进行粗磨；
S52：对工件进行半精磨；
S53：对工件进行精磨；
S54：对工件进行超精磨；
其中，步骤S51至步骤S54中可选择性地执行其中的两个或三个步骤。
进一步地，步骤S51至步骤S54中采用的砂轮磨粒的粒径逐渐增大。
进一步地，步骤S51至步骤S54采用的砂轮磨粒的粒径为400#~30000#。
进一步地，步骤S53中采用的压力分别小于步骤S51与步骤S52中的压力，在步骤S54中采用的压力小于步骤S53中的压力。
进一步地，步骤S51至步骤S54中均采用压力为0.05~0.4MPa，砂轮转速为1000~4000r/min，工件转速为100~250r/min。
进一步地，步骤S8中对工件进行固结磨粒化学机械抛光，采用压力为0.1~0.4Mpa，砂轮转速为1000~4000r/min，工件转速为100~250r/min，采用的砂轮磨粒的粒径为1500#~20000#。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）使用金属氧化物颗粒和结合剂制成固结磨粒砂轮来代替传统的金刚石砂轮实现固结磨粒化学机械抛光；
（2）使用恒压加工的方式来取代传统的通过丝杆进给的加工方式，尽管丝杆依然存在，但其只负责磨削机构或抛光机构大范围的上下运动，在磨削和抛光过程中不参与加工；在磨削和抛光过程中利用恒压方式进行调节磨削机构或抛光机构的上下微小幅度的移动；压力通过磨削组件自重的方式实现加载，压力的精确控制通过更改配重块的重量来精确控制；
（3）除了和丝杆螺母传动副连接的磨削导轨或抛光导轨，在本发明中还存在第一导轨及第二导轨，其作用是在第一砂轮随磨削组件或第二砂轮随抛光组件沿丝杆向下进给接触到工件后，当第一丝杆或第二丝杆继续向下运动，磨削组件或抛光组件会沿磨削导轨或抛光导轨移动而将自身重力作用在工件上，第一丝杆或第二丝杆的运动将不会影响实际加工，进而实现宏观进给和恒压加工的切换；
（4）磨削机构和抛光机构可以通过横向移动机构进行快速切换至回转装夹机构正上方，工件只需要一次装夹即可完成加工；
（5）与传统的基于恒定进给的磨削和化学机械抛光的两步减薄方法相比，本发明中方法在一个装置中集成了两个步骤。首先，使用金刚石砂轮进行恒压研磨来实现晶圆的主要材料去除，随后使用固结磨粒砂轮代替传统的游离磨料化学机械抛光来实现应力消除。通过磨削机构/抛光机构进行快速切换，以实现高效、精确的晶圆减薄过程。
附图说明
图1为本发明一种基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置第一视角的结构示意图。
图2为本发明一种基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置第二视角的结构示意图。
图3为图1中A-A剖视图。
图4为图1中B-B剖视图。
图5为磨削机构与抛光机构的部分结构示意图。
图示标记说明如下：
1、工作台；2、横向移动机构；3、磨削机构；31、磨削移动机架；32、磨削组件；321、第一砂轮；4、抛光机构；41、抛光移动机架；42、抛光组件；421、第二砂轮；5、回转装夹机构；61、恒压控制的磨削移动组件；611、磨削配重块；612、磨削传动件；613、磨削滑轮；614、磨削导轨；62、恒压控制的抛光移动组件；621、抛光配重块；622、抛光传动件；623、抛光滑轮；624、抛光导轨；71、第一纵向移动组件；711、第一螺母座；712、第一丝杆；713、第一电机；714、第一导轨；72、第二纵向移动组件；721、第二螺母座；722、第二丝杆；723、第二电机；724、第二导轨。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1至图5所示为本发明一种基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置的第一实施例，包括工作台1、横向移动机构2、均可上下移动的磨削机构3及抛光机构4、可自转的回转装夹机构5、控制系统，横向移动机构2与回转装夹机构5均装设于工作台1上，磨削机构3与抛光机构4并排设置，且均与横向移动机构2滑动连接，控制系统分别与横向移动机构2、磨削机构3、抛光机构4、回转装夹机构5信号连接。
作为本发明的一个实施方式，磨削机构3包括磨削移动机架31、磨削组件32、恒压控制的磨削移动组件61，磨削移动机架31与横向移动机构2滑动连接，恒压控制的磨削移动组件61装设于磨削移动机架31且与磨削组件32连接，恒压控制的磨削移动组件61还与控制系统信号连接。
磨削组件32装设在磨削移动机架31上，通过磨削移动机架31相对于横向移动机构2来回移动进而改变磨削组件32的位置，使在磨削工序中，磨削组件32可位于回转装夹机构5上方，对工件进行磨削。
作为本发明的一个实施方式，在磨削移动机架31上还装设有第一纵向移动组件71，恒压控制的磨削移动组件61装设在第一纵向移动组件71上且与其滑动连接，第一纵向移动组件71还与控制系统信号连接。
第一纵向移动组件71使磨削组件32进行大幅度的高度调整，以使磨削组件32可快速靠近工件或移离工件。恒压控制的磨削移动组件61采用恒压控制的方式进行纵向移动，用于在磨削时使磨削组件32与工件贴合，并在恒定压力下进行磨削。
作为本发明的一个实施方式，抛光机构4包括抛光移动机架41、抛光组件42、恒压控制的抛光移动组件62，抛光移动机架41与磨削移动机架31并排设置，且与横向移动机构2滑动连接，在抛光移动机架41上还装设有第二纵向移动组件72，恒压控制的抛光移动组件62装设在第二纵向移动组件72上且与其滑动连接，抛光组件42与恒压控制的抛光移动组件62连接，抛光移动机架41、抛光组件42、恒压控制的抛光移动组件62、第二纵向移动组件72均与控制系统信号连接。
抛光组件42装设在抛光移动机架41上，通过抛光移动机架41相对于横向移动机构2来回移动进而改变抛光组件42的位置，使在抛光工序中，抛光组件42可位于回转装夹机构5上方，对工件进行抛光。第二纵向移动组件72使抛光组件42进行大幅度的高度调整，以使抛光组件42可快速靠近工件或移离工件。第二纵向移动组件72采用恒压控制的方式进行纵向移动，用于在抛光时使抛光组件42与工件贴合，并在恒定压力下进行抛光。
作为本发明的一个实施方式，恒压控制的磨削移动组件61包括磨削配重块611、磨削传动件612、至少两个磨削滑轮613、磨削导轨614，磨削导轨614装设于第一纵向移动组件71上且与磨削组件32滑动连接；两个磨削滑轮613分别装设于横向移动机构2顶部两侧，磨削配重块611放置于横向移动机构2远离磨削机构3的侧部，磨削传动件612分别绕过两个磨削滑轮613且两端分别与磨削配重块611及磨削组件32连接。
作为本发明的一个实施方式，恒压控制的抛光移动组件62包括抛光配重块621、抛光传动件622、至少两个抛光滑轮623、抛光导轨624，抛光导轨624装设于第二纵向移动组件72上且与抛光组件42滑动连接；两个抛光滑轮623分别装设于横向移动机构2顶部两侧，抛光配重块621放置于横向移动机构2远离抛光机构4的侧部，抛光传动件622分别绕过两个抛光滑轮623且两端分别与抛光配重块621及抛光组件42连接。
恒压控制的磨削移动组件61和恒压控制的抛光移动组件62可采用相同的结构，但分别与磨削机构3及抛光机构4连接，因此，具体的部件的连接关系有所不同；利用磨削配重块611的配重通过磨削滑轮613与磨削传动件612使磨削组件32在恒定压力下在工件上进行上下的微调整，整个磨削过程中使磨削组件32始终与工件表面相贴合，可加工任意弧度的曲面，而且可具有较优的磨削效果。同理，利用抛光配重块621的配重通过抛光滑轮623与抛光传动件622使抛光组件42在恒定压力下在工件上进行上下的微调整，整个抛光过程中使抛光组件42始终与工件表面相贴合，可抛光任意弧度的曲面，而且可具有较优的抛光效果。其中，抛光传动件622与磨削传动件612均可以是皮带、钢丝绳等，抛光传动件622用于将抛光配重块621的力传递到抛光组件42，磨削传动件612用于将磨削配重块611的力传递到磨削组件32。
作为本发明的一个实施方式，第一纵向移动组件71包括第一螺母座711、第一丝杆712、第一电机713、第一导轨714，第一丝杆712装设于第一电机713输出轴，第一螺母座711与第一丝杆712组成丝杆螺母传动副，第一螺母座711与第一导轨714滑动连接，磨削导轨614装设于第一螺母座711，第一电机713与控制系统信号连接。
作为本发明的一个实施方式，第二纵向移动组件72包括第二螺母座721、第二丝杆722、第二电机723、第二导轨724，第二丝杆722装设于第二电机723输出轴，第二螺母座721与第二丝杆722组成丝杆螺母传动副，第二螺母座721与第二导724轨滑动连接，抛光导轨624装设于第二螺母座721，第二电机723与控制系统信号连接。
第一纵向移动组件71和恒压控制的磨削移动组件61共同调整磨削组件32的纵向移动，第二纵向移动组件72和恒压控制的抛光移动组件62共同调整抛光组件42的纵向移动，使磨削组件32与抛光组件42得以分别实现控制；采用类似的控制方式，但利用两套单独的装置进行分别单独控制，可便于根据生产需要进行单独调控。
第一纵向移动组件71和第二纵向移动组件72的结构相同，具体地，随着磨削组件32沿着第二导轨724向下运动，待磨削组件32接触到工件后，磨削配重块611开始起作用，其带动磨削组件32在磨削导轨614上运动，使磨削组件32在恒定压力下沿着工件表面进行加工，同时使第一纵向移动组件71不再参与加工过程，磨削工件的重力将直接作用在工件表面，通过调整磨削配重块611的重量，可以精确控制加工过程中的压力；抛光进行恒压控制的原理与磨削进行恒压控制的原理类似。
作为本发明的一个实施方式，磨削机构3底部设有第一砂轮321，抛光机构4底部设有第二砂轮421，第一砂轮321与第二砂轮421中至少有一个是固结磨粒砂轮。
具体地，第一砂轮321设于磨削组件32底部，第二砂轮421设于抛光组件42底部。现有技术中是采用游离磨粒进行化学机械抛光，而本发明是采用固结磨粒制成砂轮进行抛光，因此，可使抛光组件42的体积较小，便于与磨削机构3集成于一个装置上，本发明采用固结磨粒与工件进行化学反应实现抛光，与机械去除材料不同，采用化学反应进行材料的去除，可以使工件的应力较小，表面的划痕更少，表面粗糙度更低。
作为本发明的一个实施方式，第一砂轮321为金刚石砂轮，第二砂轮421为使用氧化铈微粉和树脂结合剂制成的固结磨粒砂轮。
金刚石磨削技术在晶圆减薄中的应用：
当磨粒为金刚石时，由于金刚石的硬度远大于硅晶圆，故金刚石磨粒在压力的作用下可以压入单晶硅表面一定深度，压入的深度取决于金刚石的粒径和压力大小，随后在相对运动的作用下金刚石磨粒以一定的切深在单晶硅表面反复划擦和犁削，通过磨粒的微切削和工件材料的脆性断裂来实现材料的机械去除。
固结磨粒化学机械抛光技术在晶圆减薄中的应用：
而当磨粒为特定的能够和单晶硅发生化学反应的软质磨粒时，尽管软质磨粒的硬度小于单晶硅，无法通过机械作用来实现材料去除，但是从摩擦学能量的角度来考虑，磨粒和工件材料是通过表面的微小凸起相互接触的，微小凸起处的局部接触应力要远远高于所施加的正压力，局部产生了极高的摩擦学能量，在此能量的作用下，磨粒和单晶硅以及环境介质可以发生复杂的摩擦化学反应，反应产物在相对运动提供的剪切力作用下被有效去除。当这一过程结束后或仍在进行中，别的微小突起接触会发生，进而产生类似的材料去除，这类过程反复进行即实现了材料的连续性化学机械去除。考虑到此过程无机械作用产生的划痕和损伤，表面完整性好，故也被称作固结磨粒化学机械抛光。
作为本发明的一个实施方式，回转装夹机构5为气浮工作台，利用真空抽吸使工件得以固定，无需通过常规夹具进行夹紧，可减少装夹带来的机械损伤；而且利用气浮工作台带动工件进行旋转配合磨削组件32及抛光组件42进行磨削及抛光。
实施例2
以下为本发明一种基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄方法的第一实施例，以原始厚度为750μm的晶圆减薄至450μm材料去除量300μm为例，进行金刚石定压磨削和固结磨粒化学机械抛光连续复合加工。
采用上述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置进行加工，包括以下具体步骤：
S1：将工件放置在回转装夹机构5上，利用回转装夹机构5对工件进行夹紧固定；
S2：开启回转装夹机构5，使其带动工件进行旋转；
S3：通过横向移动机构2将磨削机构3移动至回转装夹机构5上方；
S4：开启磨削机构3并使磨削机构3下移至与工件接触；
S5：利用磨削机构3对工件进行恒压磨削；
S51：对工件进行粗磨，采用压力为0.2~0.4MPa，砂轮转速为1000~4000r/min，工件转速为100~250r/min，采用的砂轮磨粒的粒径为400#~800#；
作为其中的一种实施方式，对工件进行粗磨，第一阶段，采用的砂轮磨粒的粒径为SD800，在0.2MPa的界面压力下进行晶圆的粗加工，目的是快速高效的实现材料去除，此阶段材料去除速率高达15um/min，但表面粗糙度却从加工前的Ra145nm增大到了Ra490nm；
S52：对工件进行半精磨，采用压力为0.2~0.4MPa，砂轮转速为1000~4000r/min，工件转速为100~250r/min，采用的砂轮磨粒的粒径为800#~2000#；
作为其中的一种实施方式，采用砂轮磨粒的粒径为SD2000，采用压力为0.2MPa；
S53：对工件进行精磨，采用压力为0.1~0.4MPa（压力小于粗磨和半精磨），砂轮转速为1000~4000r/min，工件转速为100~250r/min，采用的砂轮磨粒的粒径为2000#~8000#；
采用砂轮磨粒的粒径为SD8000，将磨削压力降低到0.1MPa，在兼顾较高的材料去除速率（8um/min）的优势的同时，5分钟内即实现了表面粗糙度从Ra490nm到的Ra370nm的快速收敛；
在S52至S53阶段的20min内晶圆的表面粗糙度从Ra370nm快速下降到了Ra10nm以下，但材料的去除速率下降到了1.2um/min；
S6：磨削完毕后，移离磨削机构3，并通过横向移动机构2将抛光机构4移动至回转装夹机构5上方；
S7：开启抛光机构4并使抛光机构4下移至与工件接触；
S8：利用抛光机构4对工件进行抛光；
对工件进行固结磨粒化学机械抛光，采用压力为0.1~0.4MPa（压力小于磨削过程），砂轮转速为1000~4000r/min，工件转速为100~250r/min，采用的砂轮磨粒的粒径为1500#~20000#。
作为其中的一种实施方式，利用砂轮磨粒的粒径为10000#树脂基氧化铈固结磨粒进行抛光，实现晶圆的表面光整和应力去除，15min内将表面粗糙度从Ra10nm降低到Ra2nm，但材料去除速度极低，只有0.05um/min；
S9：抛光完毕后，移离抛光机构4，并关闭回转装夹机构5，将工件取出。
此外，晶圆厚度的精确控制主要是通过最后的固结磨粒恒压化学机械抛光过程来实现。在本文提出的基于恒压加工方式的晶圆减薄工艺中，为了精准控制最后的晶圆厚度，先在作为最后的氧化铈固结磨粒加工之前，留出一定的加工余量，使晶圆在后续的应力消除的过程中实现厚度的精确控制。在上述例子中，在磨削加工结束后，总的平均材料去除厚度为299.16μm，使用10000#氧化铈固结磨粒在0.1MPa下抛光15min后，晶圆的平均去除厚度为299.92μm，成功地实现了晶圆厚度的精确控制。实验证明使用该方法可以实现硅晶圆的精密无损高效减薄加工，具有广阔的应用前景。
实施例3
以下为本发明一种基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄方法的第二实施例，本实施例与减薄方法的第一实施例类似，所不同之处在于，采用的砂轮粒径不同，在最后添加了一道使用超微细金刚石砂轮的超精磨工序。
S5：利用磨削机构3对工件进行恒压磨削；
S51：对工件进行粗磨，采用压力为0.2~0.4MPa，砂轮转速为1000~4000r/min，工件转速为100~250r/min，采用的砂轮磨粒的粒径为400#~800#；
S53：对工件进行精磨，采用压力为0.1~0.4MPa本阶段中采用的压力小于粗磨的压力，砂轮转速为1000~4000r/min，工件转速为100~250r/min，采用的砂轮磨粒的粒径为2000#~8000#；
S54：对工件进行超精磨，采用压力为0.05~0.2MPa，本阶段中采用的压力小于精密的压力，砂轮转速为1500~4000r/min，工件转速为100~250r/min，采用的砂轮磨粒的粒径为8000#~30000#。
本实施例与实施例2相比，跳过了半精磨阶段，但多增加了一道使用微细金刚石砂轮的超精磨工序，目的是为了进一步提高磨削后的表面质量，可以有效的减少后续应力消除（固结磨粒化学机械抛光）工序的材料去除量，进而显著提高整个减薄过程的效率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置，其特征在于，包括工作台（1）、横向移动机构（2）、均可上下移动的磨削机构（3）及抛光机构（4）、可自转的回转装夹机构（5）、控制系统，所述横向移动机构（2）与所述回转装夹机构（5）均装设于所述工作台（1）上，所述磨削机构（3）与所述抛光机构（4）并排设置且均与横向移动机构（2）滑动连接，所述控制系统分别与横向移动机构（2）、磨削机构（3）、抛光机构（4）、回转装夹机构（5）信号连接。
2.根据权利要求1所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置，其特征在于，所述磨削机构（3）包括磨削移动机架（31）、磨削组件（32）、恒压控制的磨削移动组件（61），所述磨削移动机架（31）与横向移动机构（2）滑动连接，所述恒压控制的磨削移动组件（61）装设于磨削移动机架（31）且与磨削组件（32）连接，恒压控制的磨削移动组件（61）还与控制系统信号连接。
3.根据权利要求2所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置，其特征在于，在磨削移动机架（31）上还装设有第一纵向移动组件（71），所述恒压控制的磨削移动组件（61）装设在所述第一纵向移动组件（71）上且与其滑动连接，第一纵向移动组件（71）还与控制系统信号连接。
4.根据权利要求3所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置，其特征在于，所述恒压控制的磨削移动组件（61）包括磨削配重块（611）、磨削传动件（612）、至少两个磨削滑轮（613）、磨削导轨（614），所述磨削导轨（614）装设于所述第一纵向移动组件（71）上且与磨削组件（32）滑动连接；两个磨削滑轮（613）分别装设于横向移动机构（2）顶部两侧，所述磨削配重块（611）放置于横向移动机构（2）远离磨削机构（3）的侧部，所述磨削传动件（612）分别绕过两个磨削滑轮（613）且两端分别与磨削配重块（611）及磨削组件（32）连接。
5.根据权利要求4所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置，其特征在于，所述抛光机构（4）包括抛光移动机架（41）、抛光组件（42）、恒压控制的抛光移动组件（62），所述抛光移动机架（41）与所述磨削移动机架（31）并排设置，且与横向移动机构（2）滑动连接，在抛光移动机架（41）上还装设有第二纵向移动组件（72），所述恒压控制的抛光移动组件（62）装设在所述第二纵向移动组件（72）上且与其滑动连接，所述抛光组件（42）与恒压控制的抛光移动组件（62）连接，抛光移动机架（41）、抛光组件（42）、恒压控制的抛光移动组件（62）、第二纵向移动组件（72）均与控制系统信号连接。
6.根据权利要求5所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置，其特征在于，所述恒压控制的抛光移动组件（62）包括抛光配重块（621）、抛光传动件（622）、至少两个抛光滑轮（623）、抛光导轨（624），所述抛光导轨（624）装设于所述第二纵向移动组件（72）上且与抛光组件（42）滑动连接；两个抛光滑轮（623）分别装设于横向移动机构（2）顶部两侧，所述抛光配重块（621）放置于横向移动机构（2）远离抛光机构（4）的侧部，所述抛光传动件（622）分别绕过两个抛光滑轮（623）且两端分别与抛光配重块（621）及抛光组件（42）连接。
7.根据权利要求1所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置，其特征在于，所述磨削机构（3）底部设有第一砂轮（321），所述抛光机构（4）底部设有第二砂轮（421），所述第一砂轮（321）与所述第二砂轮（421）中至少有一个是固结磨粒砂轮。
8.根据权利要求7所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置，其特征在于，所述第一砂轮（321）为金刚石砂轮，所述第二砂轮（421）为使用金属氧化物颗粒和结合剂制成的固结磨粒砂轮。
9.一种基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄方法，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄装置进行加工，包括以下具体步骤：
S1：将工件放置在回转装夹机构（5）上，利用回转装夹机构（5）对工件进行夹紧固定；
S2：开启回转装夹机构（5），使其带动工件进行旋转；
S3：通过横向移动机构（2）将磨削机构（3）移动至回转装夹机构（5）上方；
S4：开启磨削机构（3）并使磨削机构（3）下移至与工件接触；
S5：利用磨削机构（3）对工件进行恒压磨削；
S6：磨削完毕后，移离磨削机构（3），并通过横向移动机构（2）将抛光机构（4）移动至回转装夹机构（5）上方；
S7：开启抛光机构（4）并使抛光机构（4）下移至与工件接触；
S8：利用抛光机构（4）对工件进行抛光；
S9：抛光完毕后，移离抛光机构（4），并关闭回转装夹机构（5），将工件取出。
10.根据权利要求9所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄方法，其特征在于，在所述步骤S9后对工件进行检测，若工件的TTV总厚度变化偏差小于3μm，表面粗糙度小于Ra1nm，表面应力小于200MPa则为合格品，若不满足上述条件之一，则返回步骤S1重新加工。
11.根据权利要求9所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：
S51：对工件进行粗磨；
S52：对工件进行半精磨；
S53：对工件进行精磨；
S54：对工件进行超精磨；
其中，步骤S51至步骤S54中可选择性地执行其中的两个或三个步骤。
12.根据权利要求11所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄方法，其特征在于，步骤S51至步骤S54中采用的砂轮磨粒的粒径逐渐增大。
13.根据权利要求11所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄方法，其特征在于，步骤S51至步骤S54采用的砂轮磨粒的粒径为400#~30000#。
14.根据权利要求11所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄方法，其特征在于，步骤S53中采用的压力分别小于步骤S51与步骤S52中的压力，在步骤S54中采用的压力小于步骤S53中的压力。
15.根据权利要求14所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄方法，其特征在于，步骤S51至步骤S54中均采用压力为0.05~0.4MPa，砂轮转速为1000~4000r/min，工件转速为100~250r/min。
16.根据权利要求9至15任一项所述的基于恒压复合固结磨粒的硬脆性晶圆材料减薄方法，其特征在于，步骤S8中对工件进行固结磨粒化学机械抛光，采用压力为0.1~0.4Mpa，砂轮转速为1000~4000r/min，工件转速为100~250r/min，采用的砂轮磨粒的粒径为1500#~20000#。
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