单晶硅片超精密磨削减薄技术试验研究

摘要

随着便携式电子产品的飞速发展，硅片趋向大直径化的同时，对芯片厚度要求也越来越薄，需要对半导体硅片进行背面减薄加工。本文在总结国内外硅片减薄加工技术研究的基础上，针对金刚石砂轮磨削硅片表面/亚表面的损伤形式、损伤层深度及其分布规律、超薄硅片的挠曲变形问题、崩边问题等影响硅片减薄加工的关键因素，作了理论分析和试验研究，并提出了单工序磨削减薄硅片的优化工艺方案。
　　 首先，本文研究了金刚石硅片磨削表面的损伤形式、损伤层深度及其分布规律，分析了硅片磨削表面损伤形式的微观结构。通过角度抛光试验，研究了砂轮粒度对损伤深度的影响，结果表明，硅片磨削表面的损伤深度随砂轮粒度的增加而增大，此外，损伤深度与硅片表面的晶向及径向位置没有明显的关系，在整个硅片表面几乎一致。
　　 其次，应用Stoney公式研究了使用金刚石砂轮磨削的超薄硅片的挠曲变形规律，结果表明，在小挠度变形情况下，硅片的弯曲度与厚度的平方成反比的关系，预测了＃600、＃2000和＃3000金刚石砂轮减薄硅片的最佳厚度，并通过减薄试验，对硅片的最佳厚度进行了验证。
　　 另外，本文还对金刚石砂轮磨削硅片的边缘崩边现象进行了深入的研究，分析了砂轮粒度、砂轮进给率、砂轮的旋转方向、硅片厚度对崩边的影响，结果表明，砂轮粒度和进给率越大、硅片厚度越小，硅片的崩边越严重，顺磨时的崩边较逆磨时严重。此外，在<100>晶向处，硅片的崩边主要为“直角三角形”状崩边，在<110>晶向处，硅片的崩边主要为“矩形或阶梯矩形”崩边。
　　 最后，本文提出了金刚石砂轮磨削和软磨料砂轮磨削集成的单工序超精密薄化加工新工艺，设计了夹持超薄硅片的真空吸盘和软磨料砂轮的修磨装置，优化了金刚石砂轮减薄硅片的加工参数。通过金刚石砂轮和软磨料砂轮集成的硅片加工工艺，最终获得了40μm的超薄硅片。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 论文的选题背景

1.1.1 本文的研究目的与意义

1.1.2 单晶硅的物理性质

1.1.3 硅片背面减薄技术概述

1.2 国内外研究现状

1.2.1 超精密磨削的工艺规律及硅片表面损伤的研究

1.2.2 新型超精密磨床及砂轮的研究与开发

1.2.3 超精密磨削减薄工艺技术的研究

1.3 本课题的来源与研究内容

1.3.1 课题来源

1.3.2 研究内容

2 硅片磨削表面损伤层深度的大小和分布

2.1 硅片磨削表面的损伤形式和微观结构

2.1.1 硅片磨削表面的损伤形式

2.1.2 硅片表面损伤的微观结构

2.2 硅片磨削表面损伤层的大小和分布

2.2.1 试验方案

2.2.2 结果与讨论

2.3 本章小结

3 硅片挠曲变形问题的研究

3.1 硅片挠曲变形的产生因为

3.1.1 硅片表面的残余应力

3.1.2 硅片的总厚度偏差TTV

3.2 硅片挠曲变形的形式与分析

3.2.1 弯曲度与翘曲度的概念

3.2.2 硅片挠曲变形的形式

3.3 硅片小变形下的数学模型

3.3.1 Stoney公式及其证明

3.3.2 硅片厚度与弯曲度的数学关系

3.3.3 金刚石砂轮磨削减薄硅片的最佳极限厚度

3.4 硅片弯曲变形的试验研究

3.4.1 试验方案与检测方法

3.4.2 硅片弯曲变形数学模型的试验验证

3.5 本章小结

4 硅片磨削崩边现象的试验研究

4.1 崩边的产生与因为分析

4.1.1 逆磨和顺磨

4.1.2 崩边因为分析

4.2 试验方案与崩边大小的评价方法

4.2.1 试验方案

4.2.2 崩边的大小的定量评价

4.3 试验结果与分析

4.3.1 不同晶向处的崩边形状

4.3.2 硅片崩边的临界厚度

4.3.3 逆磨与顺磨的崩边试验结果

4.3.4 进给率对崩边大小的影响

4.3.5 崩边大小沿晶向的单因素分析

4.3.6 逆磨与顺磨的磨削质量比较

4.4 本章小结

5 硅片的超精密磨削减薄试验

5.1 超薄硅片真空吸盘和软磨料砂轮修磨盘的设计

5.1.1 超薄硅片真空吸盘的设计

5.1.2 软磨料砂轮修磨盘的设计

5.2 硅片磨削减薄的初步试验

5.2.1 硅片超精密磨床的分步磨削

5.2.2 贴背膜硅片的减薄试验

5.2.3 无背膜硅片的减薄试验

5.3 精磨阶段表面粗糙度正交试验

5.3.1 试验方案

5.3.2 结果分析

5.4 硅片磨削减薄的优化工艺路线

5.4.1 金刚石砂轮的磨削原理

5.4.2 软磨料砂轮的磨削原理

5.4.3 优化工艺路线

5.5 应用优化工艺路线的磨削减薄试验

5.5.1 试验方案

5.5.2 试验结果

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢