晶圓減薄機(jī)的研發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀

1、晶圓減薄機(jī)的研發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀鼉電字工業(yè)芎用設(shè)吝半導(dǎo)體材料加工與設(shè)備晶圓減薄機(jī)的研發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀張文斌(北京中電科電子裝備有限公司,北京100176)摘要:介紹了硅片超精密磨削加工工藝的原理和特點(diǎn),報(bào)告了國(guó)內(nèi)外硅片超精密磨削技術(shù)與裝備的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀.強(qiáng)調(diào)了我國(guó)開(kāi)展大直徑硅片超精密磨削技術(shù)和裝備研究的必要性.關(guān)鍵詞:硅片;磨削;減薄機(jī)中圖分類(lèi)號(hào):TN305文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1004-4507(2011)09.002503TheDevelopmentandStatusofBackThinningMachineZHANGWenbin(CETCBeijingElectronicEquipmentCo

2、.,LTD,Beijing100176)Abstract:Inthispaper,theprincipleandcharacteristicsofultraprecisiongrindingtechnologiesusedinICmanufacturingprocessareintroduced,thepresentstatusandperspectivesoftheadvancedgrindingtechnologiesandequipmentsappliedwaferprocessingandbacksidethinningarereported,andthenecessityandimp

3、ortanceofresearchinganddevelopingadvancedgrindingtechnologyandequipmentforlargediameterwafersinourcountryisemphasized.Keywords:Siliconwafer;Grinding;Grindingmachine早在20世紀(jì)70年代,開(kāi)始采用旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)磨削法進(jìn)行直徑100mm以下硅片的背面減薄.隨著硅片直徑的增大,對(duì)硅片背面減薄的要求越來(lái)越高,但是旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)磨削技術(shù)具有一定的局限性.1984年S.Matsui提出了硅片自旋轉(zhuǎn)磨削(waferrotatinggrinding)法,并

4、開(kāi)始逐漸取代旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)磨削(見(jiàn)圖1).硅片自旋轉(zhuǎn)磨削法采用略大于硅片的工件轉(zhuǎn)臺(tái),硅片通過(guò)真空吸盤(pán)夾持在工件轉(zhuǎn)臺(tái)的中心,杯形金剛石砂輪工作面的內(nèi)外圓周中線調(diào)整到硅片收稿日期:2011-0816的中心位置,硅片和砂輪繞各自的軸線回轉(zhuǎn),進(jìn)行切入磨削.磨削深度t與砂輪軸向進(jìn)給速度f(wàn),l硅片轉(zhuǎn)速凡的關(guān)系為:tw=HtZ(1)圖1Infeed磨削示意圖屯斗半導(dǎo)體材料加工與設(shè)備電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)菁-1硅片自旋轉(zhuǎn)磨削法的特點(diǎn)(1)可實(shí)現(xiàn)延性域磨削.在加工脆性材料時(shí),當(dāng)磨削深度小于某一臨界值時(shí),可以實(shí)現(xiàn)延性域磨削.通過(guò)大量試驗(yàn)表明,Si材料的脆性一塑性轉(zhuǎn)換臨界值約為0.06m.進(jìn)給速度廠控制在10m/min,承片臺(tái)

5、轉(zhuǎn)速取200r/min,則每轉(zhuǎn)切割深度可達(dá)到0.05m.對(duì)于自旋轉(zhuǎn)磨削,由公式(1)可知,對(duì)給定的軸向進(jìn)給速度,如果工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速足夠高,就可以實(shí)現(xiàn)極微小磨削深度.(2)可實(shí)現(xiàn)高效磨削.由公式(1)可知,通過(guò)同時(shí)提高硅片轉(zhuǎn)速和砂輪軸向進(jìn)給速度,可以在保持與普通磨削同樣的磨削深度情況下,達(dá)到較高的材料去除率,適用于大余量磨削.(3)砂輪與硅片的接觸長(zhǎng)度,接觸面積,切入角不變,磨削力恒定,加工狀態(tài)穩(wěn)定,可以避免硅片出現(xiàn)中凸和塌邊現(xiàn)象.由r上述優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)在直徑200mm以上的大尺寸硅片背面磨削(backgrinding)大都采用基于硅片白旋轉(zhuǎn)磨削原理的超精密磨削技術(shù).2硅片背面磨削的工藝過(guò)程硅片背面磨削

6、一般分為兩步:粗磨和精磨.在粗磨階段,采用粒度46#500#的金剛石砂輪,軸向進(jìn)給速度為100500mm/min,磨削深度較大,般為0.5l1TII'fl.目的是迅速去除硅片背面絕大部分的多余材料(加工余量的90%).精磨時(shí),加工余量幾微米直至十幾微米,采用粒度2000#4000#的金剛石砂輪,軸向進(jìn)給速度為0.510mm/min.主要是消除粗磨時(shí)形成的損傷層,達(dá)到所要求的厚度,在精磨階段,材料以延性域模式去除,硅片表面損傷明顯減小.3硅片磨削技術(shù)的原理當(dāng)前主流晶圓減薄機(jī)的整體技術(shù)采用了In.feed磨削原理設(shè)計(jì).為了實(shí)現(xiàn)晶圓的延性域磨削,提高減薄質(zhì)量,通過(guò)減小砂輪軸向進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)微小

7、磨削深度,因此,要求設(shè)備的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分辨率小于0.1Ixm,進(jìn)給速度1ixrn/min.另外,為了提高減薄工藝的效率,進(jìn)給系統(tǒng)在滿足低速進(jìn)給的前提下,要盡可能實(shí)現(xiàn)高速返回(見(jiàn)圖2).晶圓多孔陶瓷承片臺(tái)空氣軸圖2進(jìn)給系統(tǒng)原理示意圖4國(guó)內(nèi)外減薄機(jī)現(xiàn)狀國(guó)外硅片超精密磨床制造起步較早,發(fā)展迅速,技術(shù)先進(jìn).其中美國(guó),德國(guó),日本等發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的硅片超精密磨床技術(shù)成熟,代表著減薄機(jī)較高水平.國(guó)外知名公司的減薄機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表l.目前國(guó)外生產(chǎn)的減薄機(jī)具有高精度,高集成化,自動(dòng)化,加工硅片大尺寸化,超薄化等特點(diǎn).表1知名公司的減薄機(jī)參數(shù)比較G&NMultNano/433075-30024日本Toky

8、oSeimitsuPG200CorporationPG3002003002424電子工業(yè)董用設(shè)備I最近,英國(guó)Cranfield大學(xué)與Cranfield精密工程有限公司聯(lián)合,提出針對(duì)大直徑硅片的單工序加工技術(shù),研制成功一種新型的硅片超精密磨床.該磨床為敞開(kāi)臥式結(jié)構(gòu),砂輪主軸和工件回轉(zhuǎn)軸均安裝空氣軸承,采用靜壓空氣導(dǎo)軌和微進(jìn)給機(jī)構(gòu),具有磨削力控制系統(tǒng),并采取控溫,隔振等措施,可在一個(gè)工序中以很高加工效率完成硅片的延性域納米磨削,獲得很好的表面和亞表面完整性.據(jù)稱(chēng),用該磨床超精密磨削大直徑硅片可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝的研磨和腐蝕工序,甚至有望代替拋光加工.日本Okamoto公司生產(chǎn)的VG502型硅片全自

9、動(dòng)超精密磨床和德國(guó)G&N公司開(kāi)發(fā)的MultiNano全自動(dòng)系列納米磨床,采用自旋轉(zhuǎn)磨削原理,裝備兩個(gè)砂輪主軸分別進(jìn)行粗,精磨,具有3個(gè)(或4個(gè))操作工位,自動(dòng)完成硅片的粗磨,精磨,清洗或裝卸.用于300mm硅片的超精密磨削可以獲得納米級(jí)的鏡面,用于背面磨削可將硅片減薄到100150Ixm.目前國(guó)內(nèi)IC制造廠家所需半導(dǎo)體制造設(shè)備絕大部分是從國(guó)外直接進(jìn)口的成套生產(chǎn)線,國(guó)內(nèi)雖然開(kāi)始生產(chǎn)直徑200mm硅片,但主要是采用傳統(tǒng)的研磨拋光加工工藝,尚不掌握300rnnq及以上的大直徑硅片超精密磨削技術(shù)及裝備.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)展基于自旋轉(zhuǎn)磨削原理的大直徑硅片超精

10、密磨削系統(tǒng)與裝備的開(kāi)發(fā)與研究.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所于圖3JB-801全自動(dòng)減薄機(jī)半導(dǎo)體材料/jn-r與設(shè)備2006年研制成功JB.801全自動(dòng)減薄機(jī),如圖3所示.而且于2010年研制成功JB一802晶圓減薄機(jī),如圖4所示.目前正在承擔(dān)國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)"極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝"的研究,研制具有高精度化,集成化,自動(dòng)化,加工硅片大尺寸化,超薄化的減薄拋光機(jī).5結(jié)束語(yǔ)圖4JB一802晶圓減薄機(jī)由于目前減薄機(jī)市場(chǎng)由國(guó)外主要廠商占據(jù),嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展.因此,針對(duì)大尺寸化,超薄化硅片超精密磨削加工裝備的發(fā)展趨勢(shì),開(kāi)發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的硅片超精密磨削系統(tǒng)和裝備,實(shí)現(xiàn)我國(guó)半導(dǎo)體制造技術(shù)的跨越式發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義.參考文獻(xiàn):1】田業(yè)冰,郭東明,康仁科,金洙吉.大尺寸硅片自旋轉(zhuǎn)磨削的試驗(yàn)研究J.金剛石與磨料模具工程,2004,28(9),1215.2柳濱.晶片減薄技術(shù)原理