張 倩， 董志剛， 劉海軍， 王紫光， 康仁科， 閆 寧， 朱祥龍

(1. 大連理工大學(xué), 精密與特種加工教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024) (2. 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院/現(xiàn)代集成制造與數(shù)控裝備研究所， 合肥 230009) (3. 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司， 鄭州 450001)

集成電路制造過(guò)程中應(yīng)用最廣泛的襯底材料是單晶硅，隨著集成電路向高集成化和高密度化方向發(fā)展，對(duì)單晶硅片質(zhì)量的要求也越來(lái)越高[1-2]。硅片直徑增大能有效減少硅片邊角的浪費(fèi)，增加硅片出片率和降低集成電路成本；硅片厚度減小能有效減小硅片封裝體積；硅片表面/亞表面質(zhì)量越好越能提高電子元器件性能[3-5]。工件旋轉(zhuǎn)法常用來(lái)獲得直徑最大化和厚度最薄化的單晶硅片，該方法采用樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削減薄硅片以獲得較高的磨削效率，較高的磨削精度以及較好的磨削質(zhì)量[6]。然而，硅片直徑增大以及厚度減小會(huì)導(dǎo)致其減薄后容易產(chǎn)生崩邊、翹曲和碎片等現(xiàn)象，在制造、運(yùn)輸和存儲(chǔ)過(guò)程中也比較容易破碎[6]。硅片崩邊是硅片碎片的主要原因之一，崩邊尺寸越大則在硅片邊緣處越容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象而導(dǎo)致硅片碎片。關(guān)于硅片崩邊產(chǎn)生的原因以及崩邊的影響，GAO等[7]研究了硅片磨削減薄過(guò)程中崩邊現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理，以及不同參數(shù)對(duì)于硅片崩邊的影響，并給出在磨削過(guò)程中磨削參數(shù)的選用方案。

為了能夠有效減少硅片在制造、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中的碎片率，常采用硅片正面貼膜背面減薄的方法，該方法不僅能有效降低硅片的碎片率，還能保護(hù)硅片在磨削減薄過(guò)程中正面電路不受其他雜質(zhì)地影響[8-9]。PEI等[8]發(fā)現(xiàn)硅片磨削減薄過(guò)程中在真空吸盤和硅片中間加軟墊能夠有效減小硅片波紋度，提高硅片的面形，降低硅片的碎片率。木端強(qiáng)等[9]研究了貼不同厚度的膜對(duì)磨削減薄后硅片TTV的影響，指出貼膜能夠有效降低硅片碎片率，且膜厚度越厚硅片表面TTV越小。國(guó)內(nèi)外的研究說(shuō)明貼膜在一定范圍內(nèi)能夠提高硅片面形，獲得較好的TTV并降低硅片的碎片率，但崩邊作為影響硅片碎片的主要原因需要進(jìn)一步研究。

研究硅片貼膜對(duì)崩邊的影響規(guī)律，可用于揭示貼膜對(duì)硅片磨削加工質(zhì)量的影響機(jī)理。我們通過(guò)研究不同膜厚度對(duì)硅片崩邊的影響規(guī)律，研究崩邊尺寸沿硅片<110>晶向和<100>晶向的分布規(guī)律，從而反映貼膜對(duì)硅片加工質(zhì)量的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

硅片貼膜磨削減薄技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于集成電路制造過(guò)程中，其試驗(yàn)裝置如圖1所示。將硅片具有電路的一面貼膜能夠有效地保護(hù)硅片正面電路，減少電路在減薄過(guò)程中的離子污染，優(yōu)化硅片磨削減薄的工藝流程，減少清洗流程，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。如圖1b所示，硅片貼膜磨削減薄采用的機(jī)床是基于工件旋轉(zhuǎn)磨削原理的VG401MK II型超精密磨床(Okamoto，日本)。硅片貼膜的機(jī)器如圖1c所示，該設(shè)備能夠?qū)χ睆綖?00 mm和300 mm的硅片進(jìn)行貼膜。

磨削試驗(yàn)采用磨粒粒度尺寸約為23 μm的金剛石砂輪，磨削試件為φ200 mm × 725 μm的單晶硅片。磨削試驗(yàn)過(guò)程中使用的膜厚度為80 μm和160 μm，硅片減薄厚度為400 μm，磨削參數(shù)如表1所示。

表1 磨削參數(shù)Table 1 Grinding parameter

采用光學(xué)顯微鏡MX40(Olympus，日本)對(duì)減薄后的硅片進(jìn)行崩邊觀測(cè)，如圖2所示。

使用AUTOCAD軟件測(cè)量硅片崩邊面積S和取樣長(zhǎng)度L，崩邊尺寸采用平均崩邊寬度Wave來(lái)衡量，單個(gè)崩邊寬度W計(jì)算方式如公式(1)所示。磨削硅片上崩邊尺寸檢測(cè)點(diǎn)的取樣位置如圖2b所示，檢測(cè)位置1、3、5和7位于<110>晶向，檢測(cè)位置2、4、6和8位于<100>晶向，<100>與<110>晶向夾角為45°[6]。平均崩邊寬度Wave為這8個(gè)崩邊寬度的平均值。

W=S/L

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 貼膜減少硅片碎片

圖3為采用磨粒粒度尺寸約為23 μm的金剛石砂輪將初始尺寸為φ200 mm × 725 μm的單晶硅片減薄到100 μm的實(shí)物圖，圖3a中硅片未貼膜，圖3b中硅片貼膜厚度為160 μm。從圖3中可以看出：硅片從真空吸盤卸載時(shí)，圖3a中硅片由于裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生碎片，圖3b中硅片產(chǎn)生了較大的變形，但是沒(méi)有碎片。分析原因是采用工件旋轉(zhuǎn)法磨削減薄硅片時(shí)，硅片貼膜能夠抑制裂紋擴(kuò)展。

2.2 貼膜對(duì)硅片崩邊尺寸的影響規(guī)律

崩邊尺寸是硅片在磨削減薄過(guò)程中碎片的主要原因之一，崩邊尺寸越大，硅片在加工、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中越容易產(chǎn)生碎片，因此，需要進(jìn)一步研究貼膜對(duì)硅片崩邊尺寸的影響規(guī)律。如表2所示，采用磨粒粒度尺寸約為23 μm的金剛石砂輪將無(wú)膜、貼80 μm和120 μm不同厚度膜的硅片減薄到400 μm時(shí)，測(cè)量沿圖2b中周向8個(gè)位置點(diǎn)處的崩邊尺寸。

表2 貼不同厚度膜的硅片周向不同位置處崩邊尺寸Table 2 The value of edge chipping of silicon wafers with taping

圖4為3種貼膜厚度下減薄后硅片的平均崩邊寬度。從圖4中可看出：硅片崩邊尺寸隨著貼膜厚度從0 μm增加到80 μm再增加到160 μm時(shí)，呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，平均崩邊寬度從3.08 μm增大到4.61 μm，再減小到3.60 μm。但貼膜后硅片崩邊尺寸均大于未貼膜硅片的。試驗(yàn)結(jié)果表明，貼膜會(huì)增大硅片的崩邊尺寸，惡化硅片的邊緣情況，且膜越薄越容易惡化硅片的崩邊。但膜厚時(shí)惡化作用不明顯，僅比未貼膜的提高17%。

圖4 3種貼膜厚度減薄后硅片的平均崩邊尺寸

用單因素方差分析法[6]來(lái)比較表2所示的8個(gè)不同位置處崩邊尺寸的差異，分析硅片崩邊尺寸沿<110>晶向和<100>晶向的變化規(guī)律。表3為崩邊尺寸在硅片不同晶向的單因素方差分析表。由表3可知：在顯著性水平α = 0.05時(shí)，F(xiàn)值遠(yuǎn)小于F0.05(2,16)，該結(jié)果表明，沿硅片檢測(cè)位置1、3、5和7的<110>晶向和檢測(cè)位置2、4、6和8的<100>晶向的崩邊尺寸沒(méi)有顯著差異。高尚等[6-7]研究發(fā)現(xiàn)，硅片在相同的磨削參數(shù)下，硅片崩邊尺寸只和硅片的最終厚度有關(guān)，其崩邊尺寸在硅片<110>和<100>晶向處基本相同，沒(méi)有明顯變化。該研究結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)論相符。

表3 崩邊尺寸在硅片不同晶向的單因素方差分析表Table 3 Univariate analysis of variance of edge collapse sizes in different crystal directions of silicon wafers

貼膜厚度為0 μm，80 μm和160 μm的硅片在<110>晶向處的崩邊如圖5所示。從圖5可看出：硅片貼膜會(huì)使硅片的崩邊尺寸增大，導(dǎo)致硅片邊緣惡化，但膜越厚其惡化作用越小。綜上所述，在硅片貼膜磨削減薄過(guò)程中應(yīng)選用較厚的膜來(lái)減少硅片的崩邊。

2.3 貼膜對(duì)硅片變形的影響

圖6為硅片未貼膜、貼膜厚度為80 μm時(shí)的變形情況。兩片硅片均用磨料粒度尺寸23 μm的樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪減薄到180 μm后從真空吸盤上卸載，由于應(yīng)力的釋放，硅片產(chǎn)生變形，貼膜硅片的變形程度明顯大于未貼膜硅片的。

高尚等[6-7]研究表明硅片變形增大會(huì)導(dǎo)致硅片亞表面損傷層殘余應(yīng)力增大，進(jìn)而導(dǎo)致硅片邊緣崩邊增大，其殘余應(yīng)力與硅片變形量有如下關(guān)系：

(2)

其中：p為硅片亞表面損傷層殘余應(yīng)力，w為硅片的變形量，E為硅片的彈性模量，t為硅片厚度，s為亞表面損傷層厚度，μ為硅的泊松比，r0為硅片半徑，r為硅片測(cè)量點(diǎn)半徑。

根據(jù)公式(2)，硅片變形量w和硅片表面殘余應(yīng)力p成正比，隨著硅片變形量w增大，硅片損傷層的殘余應(yīng)力p也增大，該現(xiàn)象直接導(dǎo)致硅片邊緣的崩邊尺寸增大。因此，硅片貼膜在一定程度上會(huì)惡化硅片的崩邊尺寸，并且膜越薄硅片崩邊尺寸越大，但可抑制硅片的裂紋擴(kuò)展，減小硅片的碎片率。

3 結(jié)論

崩邊是減薄過(guò)程中引起硅片碎片的重要原因之一，且崩邊尺寸越大硅片越容易破碎。硅片貼膜磨削減薄能有效降低硅片碎片率，保護(hù)硅片正面電路，減少電路污染，優(yōu)化工藝流程等。磨粒粒度尺寸約23 μm的金剛石砂輪磨削減薄貼膜硅片時(shí)，在硅片<110>晶向和<100>晶向上崩邊尺寸無(wú)明顯差異；當(dāng)硅片未貼膜時(shí)，硅片的平均崩邊尺寸為3.08 μm；當(dāng)硅片貼膜厚度為80 μm和160 μm時(shí)，硅片的崩邊尺寸為4.61 μm和3.60 μm。即貼膜對(duì)硅片崩邊會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，但用厚膜時(shí)該負(fù)面影響較小，惡化程度可控制在20%以內(nèi)。硅片貼膜磨削減薄雖然已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用到集成電路制造中，但現(xiàn)階段貼膜對(duì)硅片加工質(zhì)量的影響，如硅片表面形貌、表面粗糙度、亞表面損傷層和殘余應(yīng)力的影響研究較少，可在后續(xù)工作中對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步研究。