CN1958233A - 一种硬脆晶体基片的无损伤磨削方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种硬脆晶体基片的无损伤磨削方法属于硬脆晶体基片超精密加工技术领域，特别涉及半导体与光电晶体硬脆晶体基片的超精密磨削加工技术。采用特制砂轮磨削，修整盘采用金属基体电镀金刚石砂轮，其粒度选用#100－#300；特制砂轮的填充料中含有活化剂、氧化剂、pH调节剂，磨料选用二氧化铈、二氧化硅或者碳酸钡。磨削进给速度为1－5μm/min，砂轮的转速为500－1000n/min，硬脆晶体基片的转速为50－200n/min，采用去离子水为冷却液，其流量为10－50ml/min。磨削方法具有精度高、加工成本低，材料去除率高，不会在基片表面产生微划痕、微疵点、微裂纹等加工表面/亚表面损伤。

Description

一种硬脆晶体基片的无损伤磨削方法

技术领域

本发明属于硬脆晶体基片超精密加工技术领域，特别涉及半导体与光电晶体硬脆晶体基片的超精密磨削加工技术。

背景技术

随着半导体和光电子技术的快速发展，对基础衬底材料—硬脆晶体基片的加工精度和表面质量要求越来越苛刻。一方面，要求晶片的加工表面具有亚微米级几何精度；另一方面还要求有很高的表面/亚表面完整性，要求晶片表面粗糙度达到亚纳米级，且没有微裂纹、微划痕、微疵点等缺陷，且要求亚表面层没有微裂纹、残余应力等加工损伤。传统的晶片加工工艺主要采用机械研磨、磨削、化学腐蚀和化学机械抛光(CMP)等技术。通常，机械研磨(磨粒尺寸6～8μm)后晶片表面粗糙度较高(Ra0.1～0.2μm)，有8μm以上的残留损伤层。机械磨削(磨粒尺寸6～8μm)同样会产生划痕、微裂纹、残余应力和晶格畸变等表面/亚表面损伤，深度可达1～2μm。化学腐蚀用于去除表面层损伤，由于腐蚀率难以稳定控制，必然影响硅片的几何精度和表面质量。最终主要应用化学机械抛光(CMP)加工获得亚纳米级粗糙度的超光滑无损伤表面。但是，在化学机械抛光加工时，存在基片面型难以控制、加工成本高、加工效率低、晶体基片难以清洗、有环境污染等缺点。随着加工精度和表面/亚表面质量要求越来越高，传统加工工艺已不能适应硬脆晶体基片的超精密加工。

发明内容

本发明的目的是提供一种在获得良好几何精度前提下，高效率、低成本、且不产生微划痕、微疵点、微裂纹等表面/亚表面损伤的磨削硬脆晶体基片的新方法。

所发明一种硬脆晶体基片的无损伤磨削方法，采用的技术方案是，采用特制砂轮磨削，砂轮由填充料1，磨料2，粘结剂3、气孔4组成，其特征是，修整盘采用金属基体电镀的金刚石砂轮，其粒度选用#100-#300；特制砂轮的填充料1中含有活化剂、氧化剂、PH调节剂，磨料2的硬度比晶体基片硬度低或者相当，选用二氧化铈、二氧化硅或者碳酸钡，其磨削方法步骤如下：

(1)将特制砂轮安装固定到高精度高刚度超精密磨床主轴上，将修整盘固定到磨床夹持工作台上对砂轮进行修整；

(2)将修整盘取下，将硬脆晶体基片在磨床夹持工作台上固定；使修整后的特制砂轮与硬脆基片表面5接触；

(3)控制磨削进给速度为1-5μm/min，砂轮的转速为500-1000n/min，硬脆晶体基片的转速为50-200n/min，采用去离子水为冷却液，并控制去离子水的流量为10-50ml/min；开始磨削；通过砂轮的磨损和自锐，砂轮填充料1不断地向冷却液中溶解和扩散，形成能促进工件表面产生化学反应的磨削液环境；也使砂轮磨粒2突出来；

(4)磨削中，通过磨粒2与基片表面5之间接触、碰撞、摩擦和热作用激发或强化基片表面5与磨削液的固液化学反应和磨粒2与基片表面5的固相化学反应，在工件表面5，尤其是表面凸峰处形成比磨粒软的化学反应钝化膜6；

(5)生成化学反应膜[6]后，进一步的磨削过程中，砂轮表面磨粒2与基片表面5的摩擦、碰撞作用，只会去除化学反应膜6，而不会在基片表面5上产生微裂纹和划痕损伤；去除化学反应膜6后露出的基片表面5可以在磨削液环境下，继续发生化学反应，生成新的化学反应钝化膜6；砂轮脱落的磨料2与去除的化学反应钝化膜6一起随磨削液排走；反复进行以上过程，实现硬脆晶体基片表面5的无损伤加工。

本发明的磨削方法具有以下明显效果：与化学机械抛光相比，由于采用砂轮磨削，磨削精度高、加工成本低，材料去除率高；与机械磨削相比由于利用了释放填充料形成工件表面产生化学反应的磨削液环境，在工件表面(尤其是表面凸峰)形成比磨粒软的化学反应钝化膜，使砂轮磨料只能不断地去除化学反应膜，而不会在基片表面产生微裂纹和划痕损伤，避免了微裂纹、划伤等加工损伤，磨削表面粗糙度达到亚纳米级，达到化学机械抛光的效果。

附图说明

图1是磨削过程图，其中：1-填充料，2-磨料，3-粘结剂，4-气孔，5-基片表面，6-化学反应膜。图2是单晶硅基片磨削特制砂轮实物图。图3是单晶硅基片磨削的表面扫描电镜图。图4是单晶硅基片磨削的3D表面形貌及粗糙度值。图5是单晶硅基片磨削的截面透射电镜图，其中：1-表面，2-亚表面。

具体实施方式

结合附图，详细说明本发明的具体实施。利用VG401 MKII超精密晶片磨床，用单晶硅基片作为样片，采用由#3000二氧化铈磨料(硬度比单晶硅基片低)、树脂粘接剂和含有表面活化剂、强酸弱碱盐的PH值调节剂、氧化剂等成份的填充料制作的砂轮，砂轮实物如图2所示。将砂轮安装到VG401MKII超精密磨床主轴上，修整盘采用金属基体电镀的金刚石砂轮，其粒度选用#100，将修整盘固定到磨床夹持工作台上对砂轮进行修整；修整完后将修整盘取下，将单晶硅基片固定在磨床在夹持工作台；选用磨削进给速度为1μm/min，砂轮的转速为600n/min，硬脆晶体基片的转速为80n/min，以去离子水为冷却液，并选用去离子水的流量为20ml/min。砂轮修整后对硅片表面进行磨削，磨削过程如图1所示。通过砂轮的磨损和自锐，砂轮填充料不断地向冷却液中溶解和扩散强酸弱碱盐PH值调节剂、表面活化剂、氧化剂，形成能与硅片表面产生化学反应的磨削液环境，同时，砂轮中的二氧化铈磨粒保持一定突出高度；在释放的填充料形成的磨削液环境下，通过二氧化铈与单晶硅片表面之间接触、碰撞、摩擦和热作用激发或强化硅片表面与磨削液的发生活性反应生成不稳定的一氧化硅或者硅酸盐等以及二氧化铈与单晶硅片表面生成硅酸盐等硬度低的化学反应钝化膜；然后在砂轮表面二氧化铈与硅片表面之间接触、摩擦、碰撞机械作用下，化学反应膜被切除而不会造成硅片表面损伤；去除化学反应钝化膜后露出的单晶硅表面材料可以在磨削液环境下，继续重复进行发生化学反应，生成新的化学反应钝化膜，而砂轮脱落的二氧化铈、去除的化学反应物等一起随磨削液排走。重复以上生成化学反应膜和去除化学反应膜的交替过程中，实现单晶硅片表面的无损伤磨削。

磨削后单晶硅基片表面扫描电镜图，放大倍数为3000倍，见图3。表面粗糙度Ra＜0.8nm，见图4。单晶硅片磨削结果表明，磨削后单晶硅基片表面未发现微划痕、微裂纹等表面损伤。采用截面透射电镜，观测磨削后单晶硅基片的亚表面，与化学机械抛光后晶片一样，未发现微裂纹和位错，仅存在由于物理、化学等非机械作用产生的十几纳米的非晶层，满足半导体与光电晶体器件制作中使用要求，截面透射电镜检测结果见图5，磨削后基片的表面1和磨削后基片的亚表面2质量都很好。磨削单晶硅基片材料去除率为1000nm/min，高于化学机械抛光的去除率(100～200nm/min)。

Claims (1)

1.一种硬脆晶体基片的无损伤磨削方法，采用特制砂轮磨削，砂轮由填充料[1]，磨料[2]，粘结剂[3]、气孔[4]组成，其特征是，修整盘采用金属基体电镀的金刚石砂轮，其粒度选用#100-#300；特制砂轮的填充料[1]中含有活化剂、氧化剂、PH调节剂，磨料[2]的硬度比晶体基片硬度低或者相当，选用二氧化铈、二氧化硅或者碳酸钡，其磨削方法的步骤如下：

(1)将特制砂轮安装固定到高精度高刚度超精密磨床主轴上，将修整盘固定到磨床夹持工作台上对砂轮进行修整；

(2)将修整盘取下，将硬脆晶体基片在磨床夹持工作台上固定；使修整后的特制砂轮与硬脆基片表面[5]接触；

(3)控制磨削进给速度为1-5μm/min，砂轮的转速为500-1000n/min，硬脆晶体基片的转速为50-200n/min，采用去离子水为冷却液，并控制去离子水的流量为10-50ml/min；开始磨削；通过砂轮的磨损和自锐，砂轮填充料[1]不断地向冷却液中溶解和扩散，形成能促进工件表面产生化学反应的磨削液环境；也使砂轮磨粒[2]突出来；

(4)磨削中，通过磨粒[2]与基片表面[5]之间接触、碰撞、摩擦和热作用激发或强化基片表面[5]与磨削液的固液化学反应和磨粒[2]与基片表面[5]的固相化学反应，在基片表面[5]表面凸峰处形成比磨粒软的化学反应钝化膜[6]；

(5)生成化学反应膜[6]后，进一步的磨削过程中，砂轮表面磨粒[2]与基片表面[5]的摩擦、碰撞作用，只会去除化学反应膜[6]，不会在基片表面[5]上产生微裂纹和划痕损伤；去除化学反应膜[6]后露出的基片表面[5]可以在磨削液环境下，继续发生化学反应，生成新的化学反应钝化膜[6]；砂轮脱落的磨料[2]与去除的化学反应钝化膜[6]一起随磨削液排走；反复进行以上过程，实现硬脆晶体基片表面[5]的无损伤加工。