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硅片延性域磨削机理研究

霍凤伟  
【摘要】:单晶硅片是制造集成电路时必须采用的衬底材料,在硅片上经过氧化、扩散、沉积、光刻、蚀刻、CMP、多层布线等一系列制程生长出数以亿计的电路器件,然后经过测试、晶片切割/贴片、打线、包装,才能得到一般常见的芯片组件,进而装配到微电子产品上。随着IC制造技术的飞速发展,特征线宽越来越细;为增加芯片产量并降低制造成本,所用的硅片越来越趋向大直径化。为了适应IC制造的要求,对单晶硅抛光片的要求越来越高,包括物理尺寸、平整度、表面粗糙度、纳米形貌、含氧量、晶体完整性和体电阻等指标。为了提高加工质量、降低制造成本,对直径300mm、450mm的硅片的制备需要采用新的、不同于现有传统加工方式的加工技术。延性域磨削是近十几年发展起来的新技术,硅片的延性域磨削被认为是硅片平整化和硅片薄化最有前途的加工技术,然而实现延性域磨削极其困难,因为延性域磨削实现的前提条件是磨粒的切削深度小于临界切削深度。目前,人们对硅片磨削过程中单晶硅的脆性——延性转变的特征、条件,临界切削深度,延性域磨削的材料去除机理以及表面形成机理的认知非常有限,还没有确定延性域磨削实现的边界条件,这严重阻碍了硅片延性域磨削技术的进一步发展和推广应用,深入研究硅片延性域磨削机理对于硅片的加工乃至整个半导体制造业具有十分重要的意义。 首先通过单颗磨粒磨削实验,对单晶硅的脆性——延性转变进行了研究,分析了磨粒刃尖形状、晶体方向对单晶硅脆性转变的影响;对单晶硅的临界切削深度进行了研究,得出了单晶硅临界切削深度;通过磨削实验得出了3000#砂轮磨削硅片时磨粒的临界切削深度。 采用基于扫描白光干涉原理的三维表面轮廓仪对砂轮表面形貌、磨粒切削深度进行了测量,得出了磨粒的出刃高度、静态有效磨粒密度、未变形切屑宽高比、磨粒刃圆半径等参数;对硅片磨削过程的磨粒切削深度进行了分析,建立了硅片自旋转磨削方法的磨粒切削深度模型,并进行了实验验证;建立了硅片自旋转磨削方法的砂轮临界切削深度模型。 提出了基于扫描白光干涉原理或移相干涉原理的三维表面轮廓仪对硅片延性域磨削是否实现进行评定的光学轮廓仪法。提出了改进的角度抛光方法,根据此方法,可以准确地测量硅片由研磨、磨削引起的亚表面裂纹,其能够测量的最小损伤深度为几百纳米,通过改进的角度抛光法能够定量地对磨削后的硅片的亚表面裂纹进行评定,从而判断是否实现了延性域磨削。 对基于“运动复印原理”的、能够实现延性域磨削的硅片磨床需要具备的刚度、运


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