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硅片自旋转磨削工艺规律研究
本科毕业设计（论文）
硅片自旋转磨削工艺规律研究
学院机电工程学院
专业机械设计制造及其自动化
（机械电子方向）
年级班别2008级
（2）班
学号3018000383
学生姓名王展浩
指导教师魏昕
2012年5月21日
硅片自旋转磨削工艺规律研究王展浩机电工程学院
硅片自旋转磨削工艺规律研究
王展浩
机电工程学院
摘要
单晶硅片是集成电路（IC）制造过程中最常用的衬底材料，硅片的表面层质量直接影响着器件的性能、成品率以及寿命。
随着硅片尺寸的增大，新的硅片高效超精密平整化加工工艺得到了大量的研究。
其中，具有高效率、高精度、低损伤等优点的硅片自旋转磨削技术正逐步成为抛光硅片和图形硅片背面减薄的主流加工技术。
本文利用基于自旋转磨削原理的硅片超精密磨床，通过试验研究了砂轮磨粒粒度、砂轮进给速度和砂轮转速等主要因素对磨削后硅片的磨削力和表面质量的的影响关系。
关键词：
硅片,磨削,砂轮,磨床,自旋转磨削
注：
本设计题目来源于教师的国家级科研项目，项目编号为：
U0734008。
Abstract
Siliconintegratedcircuit（IC）manufacturingprocessmostcommonlyusedinthesubstratematerial,siliconwafersurfacequalitydirectlyaffectstheperformanceofthedevice,therateoffinishedproductsandlife.Alongwiththeincreaseofthesiliconwafersizes,newsiliconwaferefficientprocessingtechnologyoftheultraprecisionlevelofftogetalotofresearch.Amongthem,withhighefficiency,highprecision,lowdamageandotheradvantagesofthewaferrotationgrindingtechnologyisgraduallybecomingthepolishingofsiliconwaferandwaferbacksidethinningofthemainstreamgraphicsprocessingtechnology.Basedontherotationprincipleofgrindingsiliconwaferultra-precisiongrinder,grindingparticlesizewasstudiedbyexperiment,thegrindingwheelspeedandthespeedofthegrindingwheelmainfactorsongrindingwafergrindingforceandsurfacequalityofrelationship.
Keywords:
Siliconwafer,Grinding,Thegrindingwheel,Grindingmachine,Self-rotatinggrinding
1绪论
1.1前言
进入21世纪，硅材料从工艺上说已经成为电子设备中最重要的半导体材料，同时它也被用于微电子工业，而且还越来越多用于能量和机械方面。
因此制造商从经济效益方面考虑，致力于提高硅的生产加工技术得以更平整、更高质量的衬底材料和高精度的光学元件，以及能够满足微机电中所需的复杂元件形状的需要。
随着IC工艺、技术的不断发展，硅单晶的直径尺寸越来越大，对单晶硅抛光的质量要求包括物理尺寸、平整度、表面粗糙度、纳米形貌、含氧量和晶体完整性等指标的要求越来越高。
传统的硅片加工工艺已无法适应大尺寸硅片高质量、高精度、高效率和低成本的加工要求。
较高的亚表面损伤和较低的平整度是传统的硅片加工常见的问题，为了解决这问题，延性域磨削是其中的一个好方法。
在延性域磨削中，磨屑是以塑性流动的方式去除的，可以获得没有微观裂纹的加工表面，磨削损伤深度很浅，只有几百纳米左右。
而随着硅片超精密加工技术的发展，硅片自旋转磨削加工可以实现硅片高效磨削，实现硅片的延性域磨削，减少硅片表面损伤，提高加工效率，保证工件的表面质量。
1.2硅片超精密磨削的现状
德国是最早开始采用磨削方法加工硅片，日本1975年开始用磨削方式加工硅片的背面，早期的磨床是采用普通平面磨床改装而成，后来研制出多种硅片磨床
。
1.2.1国外现状
近年来，国外对硅片超精密磨削技术的研究开发获得不少成果和进展，主要是直径Φ300mm硅片的集成制造系统采用单晶金刚石砂轮使延性磨削和光整加工可以在同一个装置上进行，使硅片达到表面粗糙度
<1×
μm和平面度<0.2μm/300mm
。
从2003年开始，最新的硅片已经进入了直径450mm硅片制造的阶段，。
日本国家理化学研究所的大森整教授在1987年研制成功在线修整砂轮的ELID镜面磨削新工艺，并将ELID技术用于硅片自旋转磨削工艺，实现了硅片的延性域磨削，亚表面损伤层深度<0.14，只有传统研磨硅片损伤层深度的1/3~1/10
。
日本Ibaraki大学的H.Eda等人研究了基于自旋转磨削原理的集成磨削系统，该系统采用超磁致伸缩微驱动装置调整砂轮轴与工件轴的夹角控制硅片面型精度，应用精密汽缸和磨削力检测系统进行控制压力磨削，可以在一个工序中完成硅片的延性域磨削和减小损伤层的磨抛加工，加工300mm硅片达到表面粗糙度Ra<1nm，平面度<0.2μm，表面损伤层减小到0.1~0.2μm，能源消耗比传统工艺降低70%
。
日本TokyoSeimiteu公司所研制的硅片抛磨机床基于硅片自旋转磨削原理，采用微粉金刚石砂轮进行粗磨和精磨，同时增加一个采用固结磨料抛光轮的抛光以去除磨削损伤层，可以实现硅片的纳米和亚纳米级镜面加工，使表面损伤层<0.1μm。
利用该机床进行硅片的背面磨削，可以快速减小硅片的厚度，为3-D贴片等一些特殊应用场合提供厚度仅为150μm的薄硅片
。
在美国，KansasStateUniversity的Z.J.Pei等人对精密磨削硅片自旋转磨削的加工过程以及加工参数、砂轮粒度、冷却液供给等加工条件对磨削力、硅片面型精度、表面磨削纹路、表面粗糙度的影响进行了系统的实验研究
。
英国克兰菲尔德大学D．J．Stephenson教授探索了一种新型的四面体（Tetraform）‘C’型磨床，可以用于硅片的磨削加工
。
1.2.2国内现状
国内也开展了硅片超精密加工技术和理论的研究。
燕山大学于栋利教授进行了应用铸铁短纤维结合剂微米粒度金刚石砂轮，对Φ76mm硅片进行ELID超精密磨削，研究了磨削工艺参数对硅片的加工质量及磨削效率的影响
。
天津大学于思远教授和哈尔滨大学董申教授等分别应用峰值动力学进行了单晶硅超精密磨削加工机原理研究和单点金刚石超精密加工单晶硅的分子动力学仿真技术研究。
这些研究为硅片超精密加工理论和技术进一步研究打下良好基础
。
目前，国内生产企业虽然掌握了小尺寸硅片（直径8英寸以下）的加工能力，但是尚不掌握大尺寸硅片（直径12英寸以上）的超精密加工技术，并且硅片的加工工艺均采用传统的研磨、腐蚀工艺，而基于自旋转磨削原理的超精密磨削技术尚没有掌握。
并且国内半导体材料企业的半导体制造设备绝大部分是从国外直接进口的成套生产线。
从而导致了我国半导体设备市场成为进口成套设备占绝大部分市场份额的局面，从市场乃至技术完全控制在旁人手中，甚至连最基本的零部件和消耗材料几乎都依赖进口。
但是，发达国家和跨国公司严格限制向我国出口直径300mm以上最先进的硅片超精密加工技术和设备。
大连理工大学现代制造技术研究所对单晶硅等硬脆材料的超精密加工技术开展了大量的研究工作，目前正在承担国家自然科学基金重大项目和国家“863”计划项目，对大直径硅片超精密磨削加工的理论和关键技术展开系统研究
。
1.3硅片超精密磨削的发展趋势
随着IC设计技术和制造技术的发展与进步，芯片的密度呈指数增长趋势，这是硅片直径增大的主要驱动力。
现在300mm硅片是主流产品，正在向450mm硅片发展，预计到2013年将采用直径450mm的硅片。
研究表明，采用450mm的硅片比300mm的硅片生产的芯片成本低很多。
对微利的DRAM厂商无疑是具有极大的诱惑力。
随着新一代器件的研发，下一代大硅片的研发势在必行。
此外，随着高新技术的日新月异，给IC提高其附加值提供了大好机会，这又极大推动全球各大生产厂家达大硅片的开发和生产。
早期用于硅片加工的磨床由普通平面磨床改装而成，主要使用平行砂轮磨削硅片。
在使用平行砂轮磨削硅片时，由于砂轮宽度有限，必须进行横向进给磨削，这就导致磨削精度和磨削效率较低。
早期还有使用传统的硅片加工工艺，在采用内圆金刚石锯片切割工艺切割的硅片会产生较大的翘曲变形，最大翘曲量达37μm，硅片表面还会残留切痕和微裂纹，损伤层深度可达10～50μm；在研磨--腐蚀--抛光过程中，游离磨料研磨的加工效率较低，研磨硅片表面粗糙度达不到要求，硅片表面仍残留4～8μm的损伤层；而腐蚀去除损伤层的过程中腐蚀率难以稳定控制，会影响研磨后硅片的面型精度，这势必增加最终化学机械抛光加工的时间。
因此，应用传统工艺进行硅片的批量生产时，存在难以保证高的面型精度，加工效率低，控制难度大，不易实现自动化等公认的缺点。
另外，这种工艺过程中大量使用的腐蚀化学试剂、研磨抛光液以及清洗液还存在污染环境问题
。
目前，硅片磨削广泛采用基于硅片自旋转磨削原理的超精密磨床。
1988年日本的S.Matsui等人提出了硅片自旋转磨削方法
。
其采用略大于硅片尺寸的转台，硅片的中心与转台的中心重合，杯型砂轮的工作面调整到硅片的中心位置，磨削时，硅片和砂轮绕各自的轴线回转，砂轮只是相对于硅片进行轴向进给。
由于是杯型砂轮单纯切入磨削，砂轮的接触长度、接触面积、切入角固定不变，因此，加工余量可以不受限制，磨削力可以保持恒定，从原理上可以实现面型精度的主动控制，改善硅片面型精度。
还有通过调整加工参数，可以在粗磨时实现硅片高效磨削，迅速去除加工余量；在精磨时实现硅片的延性域磨削，减少硅片表面损伤，即可以提高加工效率，也可以保证工件的表面质量。
其次，砂轮转速远高于硅片转速，因此砂轮磨削对硅片平整度的影响很小。
再次，硅片自旋转磨削设备结构紧凑，容易实现多工位集成，甚至可以和抛光装置集成为一体，实现磨削抛光一体化。
最后，硅片自旋转磨床磨削硅片时，被加工硅片始终有一半处于砂轮外面，因此易于实现硅片的在线厚度与表面质量的检测与控制
。
正是由于硅片自旋转磨削可以克服普通端面磨削的缺点，实现高精度高效率的延性域磨削。
于是越来越多的人致力于硅片自旋转磨削加工的研究，硅片自旋转磨削加工正逐步替代传统的研磨和端面磨削加工，成为硅片超精密磨削技术的发展趋势。
1.4硅片自旋转磨削的原理
硅片自旋转磨削时，硅片固定在尺寸略大于硅片的真空吸盘上，并随吸盘一起绕其中心轴旋转，杯型砂轮绕其主轴旋转并沿轴向进给，采用自旋转磨削方法加工硅片的装置原理如图1.1（a）所示
。
自旋转磨削加工过程中。
当砂轮主轴与吸盘主轴平行时，理论上砂轮与硅片之间的全接触磨削面积或弧长，如图1.1（b）所示；当是在实际磨削过程中，为了减小磨削力和减小磨削热，通常有意调整砂轮主轴与吸盘主轴之间的角度，产生一个微倾角使砂轮和硅片实现半接触磨削，如图1.1（c）所示。
图1.1硅片自旋转磨削加工原理图
自旋转磨削硅片时，砂轮每转磨削深度t与砂轮轴向进给速度f和硅片转速n的关系为：
t=f/n
（1）
根据
（1）式，对给定的砂轮轴向进给速度f，提高硅片转速n，可以减小磨削深度。
对于一些超精密磨床，其砂轮轴向进给速度可以控制在1μm/min以内，如果硅片转速为200rpm，则硅片每转的磨削深度只有0.005μm，可以实现微量切深的延性域磨削。
若再保持与传统的往复平面磨削相同的磨削深度磨削时，可以通过大幅度提高砂轮进给速度，增大材料去除率，从而实现高效磨削。
1.5本文研究的主要内容
随着半导体和光电子元器件加工质量、精度、和加工效率的不断提高，采用杯型金刚石砂轮的硅片自旋转磨削加工单晶硅片的方法被认为是超精密磨削硅片的理想工艺，并广泛应用于硅片背面减薄中。
本课题研究基于硅片自旋转磨削的原理，系统的研究影响硅片自旋转磨削过程中的工艺规律，为优化工艺参数提供依据。
2硅片自旋转磨削加工的实验设计
2.1实验设备的介绍
随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长，从而磨床的分类也分为许多种：
（1）外圆磨床：
是普通型的基型系列，主要用于磨削圆柱形和圆锥形外表面的磨床。
（2）内圆磨床：
是普通型的基型系列，主要用于磨削圆柱形和圆锥形内表面的磨床。
此外，还有兼具内外圆磨的磨床。
（3）座标磨床：
具有精密座标定位装置的内圆磨床。
（4）无心磨床：
工件采用无心夹持，一般支承在导轮和托架之间，由导轮驱动工件旋转，主要用于磨削圆柱形表面的磨床。
例如轴承轴支等。
（5）平面磨床：
主要用于磨削工件平面的磨床。
（6）砂带磨床：
用快速运动的砂带进行磨削的磨床。
（7）珩磨机：
用于珩磨工件各种表面的磨床。
（8）研磨机：
用于研磨工件平面或圆柱形内，外表面的磨床。
（9）导轨磨床：
主要用于磨削机床导轨面的磨床。
（10）工具磨床：
用于磨削工具的磨床。
（11）多用磨床：
用于磨削圆柱、圆锥形内、外表面或平面，并能用随动装置及附件磨削多种工件的磨床。
（12）专用磨床：
从事对某类零件进行磨削的专用机床。
本试验的设备主要是改装后的磨床，其性能符合本实验要求。
2.2工件的介绍
硅是最重要的半导体材料，硅属元素周期表第三周期Ⅳ族，原子序数14，原子量28.085，熔点是1412℃，硅的工作温度比较高，可达250℃。
硅的表面能自然生长氧化硅（Si02）钝化层，该层可作为集成电路器件的保护层。
另外，硅的临界切应力较大，一旦达到无位错状态后在生长过程中不容易出现位错，是少数能得到无位错单晶的材料之一
。
硅单晶属脆性材料，在室温下无延展性，但当温度高于700"C时，硅单晶具有弹塑性，其内部存在的位错开始移动或攀移，在应力作用下会呈现塑性变形。
在950℃～1400℃温度范围内硅的抗拉强度由约3．5×108Pa下降到1×108Pa。
硅的抗拉应力远大于抗剪应力，所以硅片容易碎裂
。
单晶硅的Peierls应力和实验硬度等数据如表2.1所示，单晶硅的Peierls势垒很大，使位错难以在常温下滑移，造成了其硬度很高，但韧性差的特点。
表中，
为位错芯处的键能，
为Peierls剪切应力，
为Peierls势垒对硬度的作用，
为压痕硬度，
+
为晶体的表现硬度，
为单晶硅实验硬度
。
表2.1单晶硅的Peierls应力和实验硬度
（eV）
（kg/m
）
（kg/m
）
（kg/m
）
+
（kg/m
）
（kg/m
）
Si
5.95
3430
286
1098
1384
1370
表2.2给出了单晶硅的力学常数
，虽然硅的抗拉和剪切性能比同类其它半导体材料要好，但与其它种类的材料相比，其力学性能趋向于脆性材料。
表2.2单晶硅的力学特性
特性
参数
单晶硅密度/（25℃）
2.392
硬度（Knoop）
9.5~11.5GPa
弹性常数
杨氏模量
泊松比
断裂韧性
本试验采用的硅片直径为42mm的单晶硅片。
2.3砂轮的选择
砂轮是用磨料和结合剂混合经压坯、干燥、焙烧而制成的，疏松的盘状、轮状等各种形状的磨具。
要选择砂轮，就必须先选择磨料和结合剂。
磨料的分类分为普通磨料和超硬磨料两大类。
这两大类中又分为天然与人造，天然普通磨料有天然刚玉、石榴石和金刚砂；人造普通磨料分为刚玉和碳化硅，刚玉有棕刚玉、白刚玉、黑刚玉、锆刚玉、铬刚玉、单晶刚玉、微晶刚玉，碳化硅有绿碳化硅、黑碳化硅、立方碳化硅、碳化硼；天然超硬磨料有金刚石；人造超硬磨料有人造金刚石和立方碳化硼。
金刚石磨料具有硬度高、抗压强度高、耐磨性好的特性，使金刚石磨具在磨削加工中成为磨削硬脆材料及硬质合金的理想工具，不但效率高、精度高，而且粗糙度好、磨具消耗少、使用寿命长，同时还可改善劳动条件。
因此广泛用于普通磨具难于加工的低铁含量的金属及非金属硬脆材料，如硬质合金、高铝瓷、光学玻璃、玛瑙宝石、半导体材料、石材等。
所以本试验磨料采用金刚石。
磨具根据不同的特性,分类的方法也不同。
根据磨具的基本形状的使用方法分类分为固结磨具、涂附磨具和研磨膏。
固结磨具有砂轮、磨头、油石和砂瓦；涂附磨具有砂布、砂纸和砂带；研磨膏有软膏和硬膏。
根据磨料性能分类分为氧化物系磨具、碳化物磨具和超硬磨料磨具。
氧化物系磨具有棕刚玉磨具、白刚玉磨具、天然刚磨具和锆刚玉磨具；碳化物磨具有黑碳化硅磨具、绿碳化硅磨具和碳化硼磨具；超硬磨料磨具有金刚石磨具和立方氧化硼磨具。
根据磨具突出特点分类分为细粒度磨具、高硬度磨具、大气孔砂轮、高速砂轮和超薄片砂轮。
最常用的分类是根据结合剂性能分类，其中分为无机模具和有机磨具，无机模具有陶瓷结合剂磨具、金属结合剂磨具和菱苦土结合剂磨具；有机磨具有树脂结合剂磨具和橡胶结合剂磨具
。
陶瓷结合剂磨具的特点是有良好的耐热性和化学稳定性，不拍水、油及普通酸碱的侵蚀，但是它的脆性较大，弹性较差，必须高温烧成，生产周期较长。
橡胶结合剂磨具的特点是高强度，富有弹性，抛光性能好，但是组织较密，气孔小，耐热性较差，它的用途主要制成硬质磨具，制成硬质橡胶薄片砂轮和用于精密磨削。
树脂结合剂磨具的特点是结合剂略有弹性和韧性，结合强度高，磨削时发热量低，粗糙度值低，可制成厚度为0.2~4mm的薄片磨具和各种形状复杂的磨具，但是抗热性及抗碱性较差，磨削区的高温可烧毁结合剂，碱性磨削液容易降低磨具的强度和硬度，增加砂轮的磨损
。
树脂结合剂金刚石砂轮具有良好的抛光作用，磨削时砂轮锋利，不易堵塞，具体特点如下：
1、磨削效率高，同时砂轮消耗相对较慢；2、自锐性好，磨削时发热量小，不易堵塞，减少了磨削时出现工作烧伤的现象；3、砂轮具有一定的弹性，有利于改善工件表面的粗糙度，主要用于精磨、半精磨、刀磨、抛光等工序4、树脂结合剂金刚石砂轮是低温固化，生产周期短，设备和供应流程比较简单；因树脂具有流动性，容易成型复杂性面的砂轮。
由于单晶硅的特点和上述树脂结合剂金刚石砂轮的优点，本试验采用的砂轮为树脂结合剂金刚石砂轮。
本试验的砂轮型号选择#600和#2000。
2.4工艺参数的选择
本实验的主要参数有磨粒粒径、砂轮轴向进给的速度和砂轮的转速，以改装后的
磨床为实验平台，试验所用的主要工艺参数如表2.3所示。
表2.3磨床主要技术参数
参数
指标
金刚石砂轮
杯型树脂结合剂
砂轮轴向进给速度
f（10~50µm/min）
砂轮转速
（400~1200rpm）
工件转速
（100~180rpm）
2.4.1砂轮轴向进给的速度
表2.4实验中砂轮轴向进给速度的参数
序号
砂轮轴向进给的速度（µm/min）
砂轮型号
1
10
#600、#2000
2
15
#600、#2000
3
20
#600、#2000
4
25
#600、#2000
5
30
#600、#2000
6
40
#600
7
50
#600
在表2.4中，砂轮轴向进给速度为40um/min和50um/min里，并没有选择型号#2000的砂轮来做实验，只选择#600砂轮，这是因为#2000砂轮主要用于精磨，如果进给速度过大，就很可能会恶化硅片的表面质量，达不到预想的结果，还会损坏砂轮。
所以#2000砂轮不用于进给速度为40um/min和50um/min。
2.4.2砂轮的转速
表2.5实验中砂轮转速的参数
序号
砂轮的转速（r/min）
砂轮型号
1
400
#600、#2000
2
600
#600、#2000
3
800
#600、#2000
4
1000
#600、#2000
5
1200
#600、#2000
在研究砂轮速度对硅片的表面质量和磨削力的影响时，砂轮型号选择为#600和#2000。
2.5检测方法和设备
检测设备有Mahr表面粗糙度＆表面轮廓仪、超景深三维显微系统、激光共聚焦显微镜和Kistler测力仪。
Mahr表面粗糙度＆表面轮廓仪，型号是MahrSurfXR20＆MahrSurfXT20。
产地在德国。
它是一种高端表面形貌特征测量产品，能实现半自动操作过程。
它以个人计算机为基础，应用软件XR20和XT20，分别进行表面粗糙度的测量和表面轮廓仪特征的测量，包括槽表面以及孔直径在dia.4.5mm以上的孔表面。
并且，每种功能都可以通过接触式（MFW250）和非接触式（LaserSensorFocodyn）两种方式实现。
用彩色和黑白照片模拟表示连续的三维粗糙度、表面形貌和轮廓，方法灵活、操作方便简单。
Mahr表面粗糙度＆表面轮廓仪在应用XR20软件测量表面粗糙度，能够获得Ra、Rz、Rmax、S（RS）、Sm（RSm）、tp（RMr）、Rp、Rq、
、R3z、PSm、PMr、Wt、Sk、Rk和所有DIN4776规定的参数。
并可以按法国汽车工业标准分析Ncrx、CPM、Nr、Pt、R等。
此外还可以实现轮廓曲线、材料支撑曲线、幅值密度曲线以及RM轮廓显示。
在应用XT20软件可获得表面轮廓信息，如：
获得表面轮廓彩色图像的等高线、轮廓、格线、视图和轮廓、表面形貌等，还可以自由选择放大区，确定轮廓的最高点、最低点、中心和平面，表面淡出、确定新的三维特征、计算体积和三围材料比等。
在本实验，Mahr表面粗糙度＆表面轮廓仪主要测量硅片加工后的表面粗糙度。
超景深三维显微系统，型号是VHX-600。
它可以进行快速大景深三维合成和逐层拍照的高景深合成画面，对3D微结构进行准实时的、非接触的观察、测量和记录。
与普通光学显微镜系统对比，超景深三维显微系统可以实现光学显微镜系统20倍以上的超景深观察与测量，可以对不能对焦的凹凸的大型被观察物体进行鲜明立体的观察。
超景深三维显微系统还可满足亚毫米至微米级的微结构表面3D加工形貌的观察、测量和记录。
超景深三维显微系统有许多功能，它可以在显微镜镜头景深不足时弥补图形不清楚的缺陷，具有3D彩色/标尺显示高度的功能；2点之间高度差异测量功能；自动变焦功能，截面轮廓测量；3D体积测量，具有D.F.D三维合成功能；3D面间的距离和角度测量；3D照明模拟功能等。
在本实验，它主要测量硅片加工后的表面形貌特征。
激光共聚焦显微镜，型号是OLS4000。
它是日本奥林巴斯株式会社与2009年8月发布的新款激光显微镜，其总放大倍率达17280倍，平面分辨率为120mm，配置了405nm激光和新开发的双共焦系统，可以对微小领域进行高分辨率的3维观察、计测和粗糙度测量，此外，该款显微镜还充实了粗糙度测量功能，灵活运用非接触式测量优点，其输出结果有着与接触式表面粗糙度测量仪相同的操作性和互换性。
Kistler测力仪，型号是9257
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