一種硅晶圓多步變參數(shù)粗磨削方法
【專利摘要】一種硅晶圓多步變參數(shù)粗磨削方法，屬于硅晶圓磨削加工領(lǐng)域。本發(fā)明包括下列步驟：將磨削力產(chǎn)生分為兩個(gè)機(jī)制：摩擦作用力和切屑形成作用力；根據(jù)赫茲接觸理論和切屑形成理論建立了磨削力模型Fnt；實(shí)驗(yàn)測(cè)量了9種磨削工藝下硅晶圓的亞表面裂紋深度h，將裂紋深度與總的磨削力Fnt的三分之二次冪進(jìn)行線性擬合，得到裂紋深度的預(yù)測(cè)模型h＝0.223(Fnt)2/3+8.57。根據(jù)裂紋深度預(yù)測(cè)值，提出了硅晶圓多步變參數(shù)粗磨削方法。此方法可保證磨削效率和提高硅晶圓的磨削質(zhì)量，同時(shí)降低時(shí)間和成本消耗。
【專利說明】
一種硅晶圓多步變參數(shù)粗磨削方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及硅晶圓磨削領(lǐng)域，特別涉及一種硅晶圓磨削方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 集成電路（IC)是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)和信息社會(huì)的基礎(chǔ)。IC技術(shù)是推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì) 信息化發(fā)展最主要的高新技術(shù)，也是改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)。IC的發(fā)展離不開基 礎(chǔ)材料硅晶圓，全球90 %以上的IC都要采用硅晶圓。隨著IC制造技術(shù)的飛速發(fā)展，為了增大 IC芯片產(chǎn)量，降低單元制造成本，硅晶圓趨向大直徑化。按照美國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)的 微電子技術(shù)發(fā)展構(gòu)圖，到2005年，300mm娃晶圓將成為主流產(chǎn)品，到2008年將開始使用450_ 硅晶圓。隨著硅片直徑增大，為了保證硅晶圓具有足夠的強(qiáng)度，原硅晶圓厚度也相應(yīng)增加。 目前200mm直徑硅晶圓的平均厚度700μπι，而300mm直徑硅晶圓平均厚度已增加到775μπι。與 此相反，為滿足IC芯片封裝的需要，提高IC尤其是功率IC的可靠性、降低熱阻、提高芯片的 散熱能力和成品率，要求芯片厚度薄型化，芯片的平均厚度每?jī)赡隃p少一半，目前芯片厚度 已減小到100~200μπι，智能卡、MEMS、生物醫(yī)學(xué)傳感器等IC芯片厚度已減小到100μπι以下，高 密度電子結(jié)構(gòu)的三維集成和立體封裝芯片更是需要厚度小于50μπι的超薄硅晶圓。
[0003] 為滿足封裝技術(shù)發(fā)展的需求，需對(duì)硅晶圓進(jìn)行減薄。目前，晶圓減薄的主流技術(shù)為 自旋轉(zhuǎn)磨削技術(shù)，該技術(shù)是通過砂輪和硅晶圓的高速旋轉(zhuǎn)以及砂輪的軸向進(jìn)給去除晶圓表 面多余的材料。然而，隨著硅晶圓厚度的減小，加工中翹曲變形，加工精度不易保證;原始硅 晶圓厚度增大以及芯片厚度的減薄，使硅晶圓背面減薄加工的材料去除量增大，提高加工 效率成為一個(gè)亟待解決的問題;此外，磨削引起的損傷(亞表面裂紋)降低了硅晶圓的機(jī)械 性能，增加了硅晶圓破片的概率，影響后續(xù)加工效率，降低磨削損傷是當(dāng)前面臨的嚴(yán)峻的挑 戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決以上問題，本發(fā)明提供了 一種硅晶圓多步變參數(shù)粗磨削方法，該方法即可 保證磨削效率，又可提高磨削質(zhì)量。其步驟包括:磨削力模型的建立、亞表面裂紋深度的實(shí) 驗(yàn)測(cè)試和裂紋深度預(yù)測(cè)公式擬合。該方法一方面可得到晶圓磨削過程磨削力預(yù)測(cè)模型，有 利于對(duì)磨削機(jī)理的深入理解和磨削工藝控制；另一方面獲得亞表面裂紋深度，確定磨削帶 來的損傷程度，為后續(xù)磨削去除量和工藝控制提供參考。
[0005] -種硅晶圓多步變參數(shù)粗磨削方法，其特征在于分為兩步:第一步，砂輪進(jìn)給速率 為fi = 100-120ym/min，砂輪轉(zhuǎn)速為Nsi = 4800-5000r/min，晶圓轉(zhuǎn)速為Nwi = 200-220r/min， 第二步，砂輪進(jìn)給速率為f2 = 20-24ym/min，砂輪轉(zhuǎn)速為NS2 = 5000r/min，晶圓轉(zhuǎn)速為NW2 = 200r/min，裂紋深度 9-1 Ιμπι;
[0006] 兩步磨削去除材料總厚度d = di+d2;第一步去除材料厚度di，第二步去除材料厚度 (12，所述(12 = 18-224111，(11 = (1-(12，
[0007] 進(jìn)一步，di 大于 15μηι。
[0008] 所述 Cl1 大于 15μπι。
[0009] 本發(fā)明所述的一種硅晶圓多步變參數(shù)粗磨削方法，其步驟包括：
[0010]建立磨削力模型：
[0011] 首先根據(jù)質(zhì)量守恒定律，建立了硅晶圓磨削過程的磨粒磨削深度模型，磨削深度 模型考慮了磨粒尺寸、磨削參數(shù)、砂輪幾何參數(shù)以及硅晶圓徑向位置的影響。假設(shè)磨粒隨機(jī) 分布，在最大磨削深度范圍內(nèi)對(duì)任意磨粒的切削面積進(jìn)行積分，得到磨粒平均切削面積模 型。根據(jù)赫茲接觸理論，摩擦作用力與材料彈性模量和磨削參數(shù)有關(guān)，以單顆磨粒為研究對(duì) 象，建立摩擦引起的法向磨削力模型F ns。根據(jù)切肩形成理論，切肩形成力為切肩形成系數(shù)與 切肩面積的乘積，以單顆磨粒為研究對(duì)象，建立切肩形成引起的法向磨削力模型F n。，單顆磨 粒磨削力Fn為Fn。與Fns之和。單顆磨粒磨削力與磨粒數(shù)量N的乘積為總磨削力F nt:
[0012]
[0013] 所述Re為磨粒半徑，υι J1為硅材料的泊松比和彈性模量，U2、E2為磨粒材料的泊松 比和彈性模量，r為硅晶圓表面一點(diǎn)到中心的距離，f為砂輪進(jìn)給速率，N w為晶圓轉(zhuǎn)速，Ns為砂 輪轉(zhuǎn)速，L為砂輪周長(zhǎng)，W砂輪寬度、γ為磨粒體積比率，l+r 2/8Rs2為磨痕參數(shù)，亞表面裂紋深 度h的實(shí)驗(yàn)測(cè)試：
[0014] 采用截面顯微觀測(cè)法，觀測(cè)了 9種磨削工藝條件下硅晶圓亞表面裂紋深度h。
[0015] h 與(Fnt)2/3 線性擬合：
[0016] 將h與(Fnt)273進(jìn)行線性擬合，擬合度為0.817,得到裂紋深度的預(yù)測(cè)模型：
[0017] h = 0.223(Fnt)2/3+8.57
[0018] 根據(jù)裂紋深度預(yù)測(cè)模型，砂輪進(jìn)給速率為fiilOO-WOym/min，砂輪轉(zhuǎn)速為Nsl = 4800-5000r/min和晶圓轉(zhuǎn)速為Nwl = 200-220r/min，裂紋深度范圍為12-15μπι。裂紋深度大， 材料去除效率高。砂輪進(jìn)給速率為f2 = 20-24ym/min，砂輪轉(zhuǎn)速為Ns2 = 5000r/min和晶圓轉(zhuǎn) 速為NW2 = 200r/min，裂紋深度范圍為9-1 Ιμπι，裂紋深度小，磨削質(zhì)量好。
[0019] 多步變參數(shù)粗磨削方法：
[0020] 綜合考慮裂紋深度和去除效率，所述多步變參數(shù)粗磨削方法為兩步變參數(shù)磨削 法，第一磨削步設(shè)定磨削參數(shù):砂輪進(jìn)給速率為；1^1 = 100-12(^1]1/1]1；[11，砂輪轉(zhuǎn)速為隊(duì)1 = 4800-5000r/min，晶圓轉(zhuǎn)速為Nwi = 200-220r/min。第二磨削步設(shè)定磨削參數(shù):砂輪進(jìn)給速率為f2 =20-24ym/min，砂輪轉(zhuǎn)速為NS2 = 5000r/min，晶圓轉(zhuǎn)速為Nw2 = 200r/min。第一磨削步去除 材料厚度di，第二磨削步去除材料厚度d2,所述d2大于Ι?μπι，取所述d2 = 18-22ym，di大于15μ m，所述兩步磨削去除材料厚度d = di+d2。
【附圖說明】
[0021] 圖1為裂紋深度與磨削力的線性擬合圖；
[0022]圖2為兩步磨削圖； 圖3本發(fā)明流程圖。
[0023]圖中：
[0024] 101-為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的裂紋深度，102-為裂紋深度與磨削力的線性擬合，201-第一 磨削步，202-第二磨削步。
【具體實(shí)施方式】：
[0025]首先根據(jù)材料去除體積守恒，建立了硅晶圓磨削過程的磨粒磨削深度模型，磨削 深度模型考慮了磨粒尺寸、磨削參數(shù)、砂輪幾何參數(shù)以及硅晶圓徑向位置的影響。主要思路 是從兩個(gè)方面得到材料去除體積模型，最后由去除體積相等得到磨粒磨削深度模型。
[0026]建立磨粒磨削深度模型：
[0027] 磨削過程中，磨粒沿著磨削軌跡連續(xù)去除硅晶圓表面材料。在硅晶圓表面任意位 置r處，單顆磨粒去除的材料體積為磨粒的切削面積與磨痕長(zhǎng)度的乘積
[0028] dV=A · dS(r) · N · β
[0029] 其中，dS(r)為r處磨痕長(zhǎng)度。
[0030] 將磨粒切削面積A和磨粒數(shù)量N代入dV得到總的材料去除體積。
[0031]
[0032]所述，dV為去除材料體積，β為磨粒的重疊系數(shù)，L為砂輪周長(zhǎng)，W砂輪寬度、γ為磨 粒體積比率，Re為磨粒半徑，Zw為硅晶圓表面位置，l+r2/8R s2為磨痕參數(shù)，由理論計(jì)算得到， dr為沿著硅晶圓徑向無窮小增量。
[0033] 另一方面，在硅晶圓表面任意位置r處，材料瞬時(shí)去除體積還可以表示為材料去除 截面積與硅晶圓徑向增量的乘積：
[0034]
[0035]所述，B為去除材料的截面積，f為砂輪進(jìn)給速率，Nw為晶圓轉(zhuǎn)速，Ns為砂輪轉(zhuǎn)速。
[0036] 根據(jù)質(zhì)量守恒定律，兩種方法得到的材料去除體積dV相同，得
[0037]
[0038]所述，Re-Zw為磨粒的最大磨削深度。
[0039]建立磨削力模型：
[0040]分析磨粒切削行為，將磨削力分為摩擦引起的法向磨削力和切肩形成引起的法向 磨削力。摩擦力引起的法向磨削力可根據(jù)赫茲接觸理論計(jì)算：
[0041] 假設(shè)磨粒為隨機(jī)分布，在最大磨削深度1^-2|范圍內(nèi)對(duì)任意磨粒的切削面積進(jìn)行積 分，得到磨粒平均切削面積模型：
[0042]
[0043] 所還，A73厝權(quán)肀功切削囬枳。
[0044]根據(jù)赫茲接觸理論，摩擦引起的法向磨削力為
[0045]
[0046] 所述，F(xiàn)ns為摩擦引起的法向磨削力，U1、Ei為硅材料的泊松比和彈性模量，仍上為 磨粒材料的泊松比和彈性模量。
[0047] 根據(jù)磨削觸理論，切肩形成引起的法向磨削力可表示為磨粒切肩面積A與切肩系 數(shù)k的乘積。
[0048]
[0049 ]所述，F(xiàn)nc為切肩形成引起的法向磨削力，k切肩形成系數(shù)，所述k = 5 549 3Ν/μηι2為實(shí) 驗(yàn)測(cè)量值。
[0050] 單顆磨粒磨削力為摩擦引起的法向磨削力和切肩形成引起的法向磨削力之和：
[0051]
[0052]所述，F(xiàn)n為單顆粒法向磨削力[0053]總磨削力Fnt為單顆磨粒磨削力Fn與磨粒數(shù)量N的乘積：
[0054]
[0055]
[0056]亞表面裂紋深度h的實(shí)驗(yàn)測(cè)試：
[0057] 采用截面顯微觀測(cè)法，觀測(cè)了 9種磨削工藝條件下硅晶圓亞表面裂紋深度。首先， 采用激光對(duì)硅晶圓進(jìn)行切割，制作試樣，試樣尺寸為lOmmXSmm。將切割后試樣通過熱熔膠 粘貼在薄鋼板上，并使觀測(cè)截面與鋼板邊緣保持平齊。先后用#2000、#5000砂紙打磨，用 0.25μπι金剛石拋光液拋光，直至待觀測(cè)截面無磨痕。采用超聲波設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行清洗，待其 自然干燥，采用"楊氏"溶液(H 2O: HF49 % : Cr2O3 = 500ml: 500ml: 75g)對(duì)截面進(jìn)行腐蝕，然后 用清水沖洗并自然干燥。在FEI Quanta 650型掃描電子顯微鏡下觀測(cè)，并測(cè)量裂紋的最大 垂直深度h。
[0058] h 與(Fnt)2/3 線性擬合：
[0059]將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的裂紋深度值101與(Fnt)273在數(shù)據(jù)處理軟件Origin中進(jìn)行線性擬合， 得到裂紋深度預(yù)測(cè)模型
[0060]
[0061 ] 根據(jù)裂紋深度預(yù)測(cè)模型，砂輪進(jìn)給速率為fi=100-120ym/min，砂輪轉(zhuǎn)速為Nsl = 4800-5000r/min和晶圓轉(zhuǎn)速為Nwl = 200-220r/min，裂紋深度范圍為12-15μπι。裂紋深度大， 材料去除效率高。砂輪進(jìn)給速率為f2 = 20-24ym/min，砂輪轉(zhuǎn)速為Ns2 = 5000r/min和晶圓轉(zhuǎn) 速為NW2 = 200r/min，裂紋深度范圍為9-1 Ιμπι，裂紋深度小，磨削質(zhì)量好。
[0062]多步變參數(shù)粗磨削方法：
[0063] 綜合考慮裂紋深度和去除效率，所述多步變參數(shù)粗磨削方法為兩步變參數(shù)磨削 法，第一磨削步201設(shè)定磨削參數(shù):砂輪進(jìn)給速率為fi = 100-120ym/min，砂輪轉(zhuǎn)速為Nsi = 4800-5000r/min，晶圓轉(zhuǎn)速為Nwl = 200-220r/min。第二磨削步202設(shè)定磨削參數(shù):砂輪進(jìn)給 速率為f 2 = 2〇-24ym/min，砂輪轉(zhuǎn)速為NS2 = 5000r/min，晶圓轉(zhuǎn)速為Nw2 = 200r/min。第一磨削 步201去除材料厚度di，第二磨削步202去除材料厚度d2,所述d2大于Ι?μπι，取d2=18-22ym，di 大于15μηι，所述兩步磨削去除材料厚度d = di+d2。
[0064] 所述，第一磨削步201，產(chǎn)生較大裂紋深度，但具有最高的磨削效率，可快速去除表 面材料;第二階段202,具有較低的磨削效率，但裂紋深度最小，可降低磨削損傷，提高磨削 質(zhì)量。本發(fā)明提出的一種硅晶圓多步變參數(shù)粗磨削方法，即可保證磨削效率又可提高晶圓 磨削質(zhì)量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種硅晶圓多步變參數(shù)粗磨削方法，其特征在于分為兩步:第一步，砂輪進(jìn)給速率為 fi = 100-120ym/min，砂輪轉(zhuǎn)速為 Nsi = 4800-5000r/min，晶圓轉(zhuǎn)速為 NW1 = 200-220r/min，第 二步，砂輪進(jìn)給速率為f2 = 2〇-24ym/min，砂輪轉(zhuǎn)速為NS2 = 5000r/min，晶圓轉(zhuǎn)速為Nw2 = 200r/min，裂紋深度 9-1 Ιμπι; 兩步磨削去除材料總厚度d = di+d2;第一步去除材料厚度di，第二步去除材料厚度d2,所 述 d2= 18-22ym，di = d_d2。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅晶圓多步變參數(shù)粗磨削方法，其特征在于:cU大于15μπι。
【文檔編號(hào)】B24B7/22GK106041660SQ201610405905
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月9日
【發(fā)明人】秦飛, 孫敬龍, 陳沛, 安彤
【申請(qǐng)人】北京工業(yè)大學(xué)