单晶硅片超精密磨削表面质量的数值仿真分析

摘要

晶圆背面减薄工序是半导体芯片生产流程中重要的一环，主要去除集成电路芯片背面多余的基材，目前晶圆背面减薄的主流技术是工件旋转磨削。由于磨削过程不可避免地在工件材料内产生亚表面缺陷，而亚表面缺陷的扩展会造成芯片的失效，因此，在背面减薄磨削后需要通过抛光等工序有效去除亚表面缺陷，确保芯片质量。由于抛光的材料去除率相比超精密磨削小一个量级以上，为减少后续抛光工序的时间，提高整个生产流程的效率，就需要控制磨削工序中晶圆的表面质量与亚表面缺陷深度。因此对工件旋转磨削的磨削表面形貌及亚表面缺陷深度进行预测对于磨削机理的研究以及磨削参数的优化有着重要的意义。 随着计算机技术的发展，目前已经可以通过数值模拟的方法对磨削过程进行仿真，现有仿真模型可以根据磨削参数输出工件表面磨痕的一些特征。现有硬脆材料工件旋转磨削表面形貌预测模型均假设工件材料为刚塑性材料。但对硬脆材料纳米切削过程的研究发现，硬脆材料超精密磨削过程中磨粒与工件的接触呈现明显的弹塑性特征，这与现有模型的基本假设不符。此外，在亚表面缺陷深度预测模型方面，目前大部分模型均以裂纹尖端深度作为亚表面缺陷深度的评估标准，但是在超精密磨削中，工件材料一般只产生位错等缺陷，因此现有亚表面缺陷深度预测模型无法应用于超精密磨削条件下的缺陷深度预测。本文针对单晶硅材料超精密工件旋转磨削的特点，基于Matlab平台构建了可以对矩形仿真区表面形貌及亚表面缺陷形貌进行预测的仿真模型，对仿真区粗糙度参数及最大亚表面缺陷深度等参数进行了分析与评估，通过试验证明了所建立的仿真分析模型可以较为准确地反映超精密磨削表面及亚表面特征。本文主要研究内容如下： (1)考虑工件旋转磨削中的磨粒与工件相对运动关系，基于Matlab平台构建了可以对矩形仿真区形貌进行计算的工件旋转磨削表面形貌预测模型。该模型可以输出仿真区的三维形貌及多个可对仿真区形貌进行评估的粗糙度参数。 (2)提出了适用于超精密磨削的材料去除模型，模型中考虑了工件的弹塑性效应、磨粒刃尖半径、成屑临界切深与有效磨粒数等因素，并将材料去除模型整合进形貌预测模型，对各个因素对仿真区粗糙度参数的影响程度进行了分析。通过将不同磨削参数下的仿真结果与工件旋转磨削实验结果进行对照验证了表面形貌预测模型的准确性。 (3)通过构建磨粒切入深度、磨粒对工件作用力及工件产生的亚表面缺陷深度之间的关系对单磨粒产生的亚表面缺陷深度进行了预测，并将其整合到表面形貌仿真模型中，得到了以位错深度为评估参数的可以适应超精密磨削条件下的亚表面缺陷形貌预测模型，并通过一系列磨削实验对亚表面缺陷深度预测模型的准确性进行了验证。

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