硅片超精密磨削减薄工艺基础研究

摘要

电子产品对高性能、多功能、小型化和低成本的需求推动了集成电路(IC)制造技术的高速发展，特别是便携式电子产品的飞速发展对IC封装技术提出了越来越高的要求，其中，叠层三维立体封装技术由于其空间占用小，电性能稳定、成本低等优点成为未来的主要发展趋势。在封装整体厚度不变甚至减小的趋势下，要增加堆叠层数，必须对各层硅片进行背面减薄，且要求减薄硅片具有高面型精度、无表面/亚表面损伤。目前，采用金刚石砂轮的超精密磨削技术在硅片的背面减薄加工中得到广泛应用，但是，随着硅片尺寸和原始厚度的增大以及减薄厚度的减小，超精密磨削减薄技术面临着表面层损伤、弯曲/翘曲变形、加工效率等问题。因此，面向IC封装技术对超薄硅片的需求，以提高硅片表面层质量、面型精度和减薄效率为目的，本文深入研究了金刚石砂轮磨削减薄硅片的亚表面损伤特性、变形机理和崩边规律以及采用软磨料砂轮的机械化学磨削技术，对于实现硅片的高效率、低损伤、超薄化磨削加工具有重要的指导意义。论文的主要研究内容和结论如下:
　　(1)建立了硅片旋转磨削的磨粒切削深度数学模型，推导出磨粒切削深度与磨削参数、砂轮尺寸及硅片表面径向位置的数学关系，指出磨粒切削深度随着砂轮粒径、砂轮进给速度、硅片转速和硅片表面径向距离的增大而增大，随着砂轮周长、砂轮齿宽和砂轮转速的增大而减小。采用角度截面显微观测法研究了金刚石砂轮磨削硅片的亚表面损伤深度沿硅片径向和周向的分布及光磨对磨削硅片亚表面损伤分布的影响，在此基础上，研究了磨削参数对亚表面损伤深度的影响，并基于建立的磨粒切削深度数学模型分析了相应规律的产生原因。研究表明，无光磨条件下磨削硅片的亚表面损伤深度沿周向在<110>晶向处大于<100>晶向，沿径向从中心到边缘逐渐增大;光磨条件下磨削硅片的亚表面损伤深度沿整个硅片表面几乎是均匀的，且光磨后的硅片亚表面损伤深度小于无光磨条件下磨削硅片;随着砂轮粒度的减小、转速的增大及进给速度的减小，亚表面深度明显地减小，但硅片转速对亚表面损伤深度的影响较小。
　　(2)基于Ansys有限元软件研究了金刚石砂轮磨削减薄硅片过程中砂轮、真空吸盘与硅片间的作用力情况，揭示了硅片磨削减薄后发生变形的机理。基于圆形薄板弯曲变形理论建立了弹性小变形范围下的硅片超精密磨削减薄变形的数学模型，推导出硅片磨削减薄的变形量与亚表面损伤层深度、表面层加工应力、减薄厚度及单晶硅自身力学特性之间的数学关系，并通过试验对数学模型进行了验证。研究表明，随着硅片亚表面损伤深度的增大、减薄厚度的减小及表面层加工应力的增大，磨削减薄硅片的变形相应的增大，硅片变形的理论值与实测值基本相同。
　　(3)通过硅片磨削减薄试验研究了崩边形状和尺寸沿硅片圆周的变化规律，在此基础上，研究了砂轮粒度、减薄厚度、磨削方式和砂轮进给速度等磨削参数等崩边尺寸的影响，并基于单晶硅的各向异性力学特性和工件旋转法磨削硅片的磨削力特征揭示了崩边规律的产生机理。结果表明，沿硅片圆周位于<100>晶向的崩边形状为等腰直角三角形，位于<110>晶向的崩边形状为矩形，但崩边尺寸沿硅片圆周不同晶向处没有明显的变化;随着砂轮粒度的减小、减薄厚度的增大及砂轮进给速度的减小，减薄硅片的崩边尺寸相应的减小，且顺磨方式减薄硅片的崩边尺寸小于逆磨方式减薄硅片。
　　(4)针对金刚石砂轮磨削硅片的表面层损伤问题，提出采用软磨料砂轮的机械化学磨削技术。根据单晶硅的材料特性，研制了用于硅片磨削的CeO2、 Fe2O3和MgO三种软磨料砂轮，并研究了软磨料砂轮的修整方法。通过检测硅片表面粗糙度、表面/亚表面损伤、砂轮修整间隔、主轴电机电流、磨削比及材料去除率等参数，研究了软磨料砂轮的磨削性能，并与同粒度金刚石砂轮的磨削性能以及化学机械抛光(CMP)的加工效果进行了对比分析。通过检测软磨料砂轮磨削硅片表面的化学成分分析了磨料、单晶硅和添加剂之间在磨削过程中发生的化学反应，建立了软磨料砂轮磨削硅片的材料去除机理模型。研究表明，软磨料砂轮磨削的硅片表面层质量远好于金刚石砂轮磨削硅片，接近于CMP的加工效果，且材料去除率高于CMP。
　　(5)在上述研究的基础上，根据不同粒度金刚石砂轮磨削减薄硅片的材料去除率、亚表面损伤深度、崩边和变形以及软磨料砂轮机械化学磨削的特点，提出硅片一次装夹定位条件下，依次采用＃600金刚石砂轮粗磨、＃3000金刚石砂轮精磨和＃3000MgO软磨料砂轮机械化学磨削的硅片高效低损伤磨削减薄工艺，利用该工艺获得了磨削减薄厚度为40μm的超薄硅片。

目录

声明

摘要

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 论文研究背景

1．1．1 集成电路发展概述

1．1．2 集成电路制造工艺流程

1．1．3 集成电路发展对硅片减薄技术的挑战

1．2 硅片超精密磨削减薄技术概述

1．2．1 硅片减薄技术现状与分析

1．2．2 硅片超精密磨削减薄技术

1．3 硅片超精密磨削减薄技术的研究现状

1．3．1 硅片超精密磨削工艺规律

1．3．2 硅片超精密磨削表面层损伤

1．3．3 硅片超精密磨削减薄的变形

1．3．4 硅片超精密磨削减薄的崩边

1．3．5 硅片超精密磨削减薄新技术

1．4 论文的提出、来源与主要研究内容

1．4．1 论文的提出与来源

1．4．2 论文主要研究内容

2 硅片超精密磨削亚表面损伤的研究

2．1 硅片旋转磨削的磨粒切削深度模型

2．2 硅片超精密磨削亚表面损伤分布的研究

2．2．1 试验条件与检测方法

2．2．2 亚表面损伤深度沿晶向的分布

2．2．3 亚表面损伤深度沿径向的分布

2．3 硅片超精密磨削参数对亚表面损伤深度的影响

2．3．1 试验条件与检测方法

2．3．2 砂轮粒度对亚表面损伤深度的影响

2．3．3 砂轮转速对亚表面损伤深度的影响

2．3．4 砂轮进给速度对亚表面损伤深度的影响

2．3．5 硅片转速对亚表面损伤深度的影响

2．4 本章小结

3 硅片超精密磨削减薄变形的研究

3．1 硅片超精密磨削减薄时的受力状态

3．1．1 有限元模型的建立

3．1．2 仿真结果与分析

3．2 硅片超精密磨削减薄变形的数学模型

3．2．1 硅片超精密磨削减薄变形机理

3．2．2 硅片超精密磨削减薄变形的弯曲方程

3．2．3 加工应力与残余应力的理论计算

3．3 理论模型的试验验证

3．3．1 试验条件与检测方法

3．3．2 结果与讨论

3．4 本章小结

4 硅片超精密磨削减薄崩边的研究

4．1 崩边的产生原因

4．2 崩边沿硅片圆周变化规律的研究

4．2．1 试验条件与检测方法

4．2．2 崩边形状沿硅片圆周的变化规律

4．2．3 崩边尺寸沿硅片圆周的变化规律

4．3 磨削减薄参数对崩边尺寸的影响

4．3．1 试验条件与检测方法

4．3．2 结果与讨论

4．4 本章小结

5 机械化学磨削技术的研究

5．1 机械化学磨削原理概述

5．2 软磨料砂轮的研制

5．2．1 软磨料砂轮的组织设计

5．2．2 软磨料砂轮的结构设计

5．2．3 软磨料砂轮的制造工艺

5．3 软磨料砂轮的修整

5．3．1 软磨料砂轮修整方法

5．3．2 软磨料砂轮修整试验

5．4 软磨料砂轮磨削性能试验

5．4．1 试验条件与检测方法

5．4．2 结果与讨论

5．5 软磨料砂轮机械化学磨削的加工机理

5．5．1 机械化学磨削硅片表面成分的分析

5．5．2 机械化学磨削硅片表面的材料去除模型

5．6 本章小结

6 硅片高效低损伤超精密磨削减薄工艺

6．1 高效低损伤磨削减薄工艺方案

6．2 硅片超精密磨削减薄试验

6．2．1 试验条件

6．2．2 结果与讨论

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

创新点摘要

致谢

作者简介