单晶硅磨削加工后的表面损伤研究

2015-07-04刘洋

电子工业专用设备 2015年10期

刘洋

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津300000)

随着便携式电子产品的飞速发展，在硅片趋向大直径化的同时，对芯片的厚度也要求越来越薄，并且需要对单晶半导体硅片的背面进行减薄加工。集成电路（IC）是现代信息产业和信息社会的基础。作为IC 发展的基础和半导体芯片的理想衬底材料，硅片的表面质量直接影响着IC 器件的性能、成品率以及寿命。随着硅片直径的增大和器件尺寸的减小，对硅片表面加工质量的要求日益增高，不仅要求极高的平面度，极小的粗糙度，而且要求表面无变质层、无划伤。目前，固结磨料的超精密磨削技术是加工大尺寸硅片的主要方法，但传统的磨削技术会对硅片表面带来一定程度的损伤，进而影响后道化学腐蚀及化学机械抛光（CMP）工艺的加工时间及成品率。对硅片磨削表面状态的研究，有助于最终实现硅片的高效率、高精度、无损伤的光滑表面加工有着重要意义。本文针对目前存在的问题，对硅片磨削表面进行较深入研究，以解决部分现存问题。

1 单晶硅片的加工流程

对于单晶硅片，传统的加工技术流程为：单晶生长磨外圆及平边（Flat/Notch）切片倒圆角研磨腐蚀清洗抛光。由于采用内圆金刚石锯片切割的硅片会产生较大的翘曲变形，硅片表面还会残留切痕和微裂纹。在大直径硅片的研磨过程中，为了得倒稳定的，低粗糙度及低损伤的表面，一般应用超精密磨削来代替传统研磨和腐蚀。

2 单晶硅片表面产生的不同损伤

2.1 单晶硅片损伤层形成原因

单晶硅片切割、研磨、磨削、抛光等超精密加工过程中，在刀具（磨料）的机械作用下，硅片表面将产生非晶化、多晶化、微裂纹、塑性变形等，表面层结构相对于基体材料发生明显变化，基体材料明显不同，一般将发生结构变化的表面层称为损伤层或变质层。硅片切割、研磨、磨削过程中会不可避免的给硅片表面带来损伤层，该损伤层会影响下一道工序的加工时间，成品率等。为了提高生产效率，要尽量减小各工序所产生的表面损伤。硅片表面任何损伤都会导致最后得到的器件失效，为了提高IC 的成品率，就需要最后抛光后得到的是无损的，光滑的表面。

2.2 硅片加工表面层损伤形式

硅片加工表面层损伤分为表面损伤和亚表面损伤。表面损伤有划痕、微裂纹、破碎、橘皮和凹坑等。亚表面损伤有非晶层、多晶层、微裂纹、位错、层错、弹性畸变和残余应力等。

2.3 相变引起的损伤

相变，是指相的数目或相的性质变化。由于温度、压力各种物理参数的改变而引起的结构状态的变化称为结构相变。自从Jamieson 发现单晶硅的高压相变现象以后，有关单晶硅的高压相变的研究越来越多。非晶层和多晶层的存在说明硅片表面发生了相变。

2.3.1 磨削实验

硅片的磨削加工以DAG810 型磨床为实验平台，砂轮和工作台同时转动，砂轮主轴有一个轴向进给，如图1所示。实验选用直径为100 mm 的直拉（CZ）法生长的〈100〉单晶硅片，该硅片是经过腐蚀的研磨硅片，表面无损伤。

图1 磨削机工作原理

硅片的超精密磨削工艺通常分为粗磨（600号砂轮）、半精磨（1000 号砂轮）和精磨（2000 号砂轮），粗磨用来快速去除大部分加工余量并使硅片达到一定的表面平整度，然后通过半精磨来去除部分加工余量并减少硅片表面层损伤深度，最后用精磨来去除剩余加工余量和半精磨后的表面损伤，保证磨削后硅片的亚表面损伤深度较小，从而减小后续抛光工序的抛光时间。实验采用的砂轮为DAG 公司生产的树脂结合型金刚石砂轮。粗磨、半精磨和精磨时硅片的去除厚度分别为200，100 和50 微米，磨削时采用去离子水进行冷却。实验参数如表1。

表1 不同型号砂轮的磨削参数

2.3.2 不同型号砂轮磨削后的光谱扫描

由于硅片磨削表面各点的状态并不完全一致，所以测量某一点的相变不具有代表性。考虑到硅片磨削表面磨纹有一定的分布规律，所以采用显微Raman 光谱仪对粗磨、半精磨和精磨硅片表面沿垂直于磨纹的方向进行线扫描。

（1）粗磨磨削的扫描光谱

从图2可以看出粗磨硅片表面上各点的拉曼光谱区别不大。

（2）半精磨硅片的扫描光谱

图2 粗磨硅片表面的拉曼光谱

半精磨硅片表面各点拉曼光谱区别较大，如图3，光谱中存在多个Si 相的特征峰。多出来的Si 相的存在，表明相变强度很大，硅片表面有较高的局部压应力。而Si-IV 相则表示该位置出现Si的六方金刚石结构。

图3 半精磨硅片表面的拉曼光谱

（3）精磨硅片的表面扫描光谱

精磨硅片表面上各点的拉曼光谱比较一致，如图4。经2000 号砂轮磨削的硅片表面虽然也存在多个Si 相，但相变强度较小。精磨硅片的相变强度比半精磨硅片的相变强度小很多。

图4 精磨硅片表面的拉曼光谱

2.3.3 结论

磨削条件不同，硅片表层的相变强度不同，半精磨和精磨硅片表面层发生了相变。在加载时单晶硅首先发生由非晶相变而产生的塑性屈服，进而再发生由硅原子晶格变形而引起的形变。加载过程中，局部应力不同会转变为不同的相。卸载时部分相是不可逆的，另一部分是可逆的会变回Si-I 相，如图5所示。

图5 硅片半精磨和精磨过程中单晶硅的相变

总之，磨粒尺寸和形状不同，磨削压力和磨削深度也有所不同，从而导致材料的去除机理不同。压力致使单晶硅由脆性性质（容易发生断裂）转变为塑性性质，有利于改善单晶硅的切削加工性能。随着磨粒尺寸减小，单晶硅磨削时的去除方式由脆性断裂向着塑性断裂方式改变。

2.4 由塑性形变引起的损伤

磨削加工是通过磨料对被加工材料有限度的损伤而实现的，材料的去除是通过塑性变形微观裂纹的形成与扩展来实现的。由于单晶硅材料的高脆性，表面层会有微裂纹存在。在表面应力的作用下，微裂纹会对材料的强度产生很大的影响，进而使得硅片断裂。所以在实际生产中要尽量避免微裂纹的产生。生产中应通过调整磨削去除量、磨削主轴转速（砂轮转速）及砂轮进行及时调整，以避免产生过大的磨削应力，确保冷却水的供应从而减小热应力，从而使得硅片在磨削时表面尽可能少的产生微裂纹。

2.5 由残余应力引起的损伤

单晶硅片经机械加工后常常会处于明显且复杂的残余应力状态，这些残余应力对硅片的疲劳性能、腐蚀性能、脆性及尺寸稳定性等有很大的影响。随着硅片的直径增大，硅片中硅片中的残余应力会对所生产的IC 器件的各项性能产生极大的冲击。单晶硅片的磨削所产生的残余应力对磨削微裂纹的产生无直接影响，但会影响微裂纹的生长及放大。从而降低硅片的使用性能，所以说硅片中的残余应力会影响IC 的性能和可靠性。因此在硅片磨削的过程中，应保证硅片受力均匀，磨削时尽量保证温度恒定。