1、晶圓減薄機的研發(fā)及應用現(xiàn)狀鼉電字工業(yè)芎用設吝半導體材料加工與設備晶圓減薄機的研發(fā)及應用現(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,報告了國內外硅片超精密磨削技術與裝備的研究與應用現(xiàn)狀.強調了我國開展大直徑硅片超精密磨削技術和裝備研究的必要性.關鍵詞:硅片;磨削;減薄機中圖分類號:TN305文獻標識碼:B文章編號: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70年代,開始采用旋轉工作臺磨削法進行直徑100mm以下硅片的背面減薄.隨著硅片直徑的增大,對硅片背面減薄的要求越來越高,但是旋轉工作臺磨削技術具有一定的局限性.1984年S.Matsui提出了硅片自旋轉磨削(waferrotatinggrinding)法,并

4、開始逐漸取代旋轉工作臺磨削(見圖1).硅片自旋轉磨削法采用略大于硅片的工件轉臺,硅片通過真空吸盤夾持在工件轉臺的中心,杯形金剛石砂輪工作面的內外圓周中線調整到硅片收稿日期:2011-0816的中心位置,硅片和砂輪繞各自的軸線回轉,進行切入磨削.磨削深度t與砂輪軸向進給速度f,l硅片轉速凡的關系為:tw=HtZ(1)圖1Infeed磨削示意圖屯斗半導體材料加工與設備電子工業(yè)專用設菁-1硅片自旋轉磨削法的特點(1)可實現(xiàn)延性域磨削.在加工脆性材料時,當磨削深度小于某一臨界值時,可以實現(xiàn)延性域磨削.通過大量試驗表明,Si材料的脆性一塑性轉換臨界值約為0.06m.進給速度廠控制在10m/min,承片臺

5、轉速取200r/min,則每轉切割深度可達到0.05m.對于自旋轉磨削,由公式(1)可知,對給定的軸向進給速度,如果工作臺的轉速足夠高,就可以實現(xiàn)極微小磨削深度.(2)可實現(xiàn)高效磨削.由公式(1)可知,通過同時提高硅片轉速和砂輪軸向進給速度,可以在保持與普通磨削同樣的磨削深度情況下,達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,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磨削原理的超精密磨削技術.2硅片背面磨削的工藝過程硅片背面磨削

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,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,軸向進給速度為0.510mm/min.主要是消除粗磨時形成的損傷層,達到所要求的厚度,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硅片磨削技術的原理當前主流晶圓減薄機的整體技術采用了In.feed磨削原理設計.為了實現(xiàn)晶圓的延性域磨削,提高減薄質量,通過減小砂輪軸向進給速度實現(xiàn)微小

7、磨削深度,因此,要求設備的進給運動分辨率小于0.1Ixm,進給速度1ixrn/min.另外,為了提高減薄工藝的效率,進給系統(tǒng)在滿足低速進給的前提下,要盡可能實現(xiàn)高速返回(見圖2).晶圓多孔陶瓷承片臺空氣軸圖2進給系統(tǒng)原理示意圖4國內外減薄機現(xiàn)狀國外硅片超精密磨床制造起步較早,發(fā)展迅速,技術先進.其中美國,德國,日本等發(fā)達國家生產(chǎn)的硅片超精密磨床技術成熟,代表著減薄機較高水平.國外知名公司的減薄機主要參數(shù)見表l.目前國外生產(chǎn)的減薄機具有高精度,高集成化,自動化,加工硅片大尺寸化,超薄化等特點.表1知名公司的減薄機參數(shù)比較G&NMultNano/433075-30024日本Toky

8、oSeimitsuPG200CorporationPG3002003002424電子工業(yè)董用設備I最近,英國Cranfield大學與Cranfield精密工程有限公司聯(lián)合,提出針對大直徑硅片的單工序加工技術,研制成功一種新型的硅片超精密磨床.該磨床為敞開臥式結構,砂輪主軸和工件回轉軸均安裝空氣軸承,采用靜壓空氣導軌和微進給機構,具有磨削力控制系統(tǒng),并采取控溫,隔振等措施,可在一個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,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、動超精密磨床和德國G&N公司開發(fā)的MultiNano全自動系列納米磨床,采用自旋轉磨削原理,裝備兩個砂輪主軸分別進行粗,精磨,具有3個(或4個)操作工位,自動完成硅片的粗磨,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的鏡面,用于背面磨削可將硅片減薄到100150Ixm.目前國內IC制造廠家所需半導體制造設備絕大部分是從國外直接進口的成套生產(chǎn)線,國內雖然開始生產(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及裝備.大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室正在開展基于自旋轉磨削原理的大直徑硅片超精

10、密磨削系統(tǒng)與裝備的開發(fā)與研究.中國電子科技集團公司第四十五研究所于圖3JB-801全自動減薄機半導體材料/jn-r與設備2006年研制成功JB.801全自動減薄機,如圖3所示.而且于2010年研制成功JB一802晶圓減薄機,如圖4所示.目前正在承擔國家重大科技專項"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,自動化,加工硅片大尺寸化,超薄化的減薄拋光機.5結束語圖4JB一802晶圓減薄機由于目前減薄機市場由國外主要廠商占據(jù),嚴重制約了國內半導體制造技術的發(fā)展.因此,針對大尺寸化,超薄化硅片超精密磨削加工裝備的發(fā)展趨勢,開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權的硅片超精密磨削系統(tǒng)和裝備,實現(xiàn)我國半導體制造技術的跨越式發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義.參考文獻:1】田業(yè)冰,郭東明,康仁科,金洙吉.大尺寸硅片自旋轉磨削的試驗研究J.金剛石與磨料模具工程,2004,28(9),1215.2柳濱.晶片減薄技術原理