超薄硅双面抛光片加工效率的提升_田原.pdf

电子工艺技术Electronics Process Technology502023年1月第44卷第1期摘要：用于5G通信芯片支撑层的超薄硅双面抛光片的生产是一个需要攻克的难题。该产品的技术难点在于，硅片厚度低至100 m，薄如纸张，采用传统粘蜡抛光工艺，加工效率极低且碎片率极高，同时硅片几何参数无法保证，成品率较低。由于磨削工艺可有效减少硅片表面的损伤层、改善几何参数，所以针对超薄硅片的加工，采用贴膜抛光工艺可以保证抛光的效率和成品率。在硅片腐蚀后采用磨削+贴膜抛光的工艺，解决了超薄硅双抛片加工效率低、碎片率高、几何参数难以保证、成品率低的问题。关键词：硅片；双面抛光；磨削中图分类号：TN305文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）01-0050-03Abstract:The production of ultra-thin double side polished wafers which are used for the support layers of 5G communications chips is a challenge.The technical diffi culty is that the silicon wafer thickness is only about 100 m,as thin as papers.Using the traditional wax polishing method,the processing effi ciency,the fragmentation rate and the geometric parameters of wafers are unacceptable.As the grinding process can effectively reduce the surface damage layer and improve the geometric parameters,and using pasting-fi lm polishing method,the polishing effi ciency can be ensured.Therefore,the combine of grinding and pasting-fi lm polishing can enhance the processing effi ciency,decrease the fragmentation rate,improve the geometric parameters of the ultra-thin double side polished wafers.Keywords:silicon wafers;double side polish;grinding Document Code:A Article ID:1001-3474(2023)01-0050-03超薄硅双面抛光片加工效率的提升Improvement of Production Efficiency for Ultra-thin Double Side Polished Wafers田原，刘雪松，杨玉梅，杨春颖，樊树斌TIAN Yuan,LIU Xuesong,YANG Yumei,YANG Chunying,FAN Shubin（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220）(The 46th Research Institute of CETC,Tianjin 300220,China)0 引言随着5G通信的迅猛发展，产生了一些特殊规格硅片的需求。这其中，用于5G通信芯片支撑层的超薄硅双面抛光片的生产成为一个需要攻克的难题。该产品不同于传统硅双面抛光片3001 000 m的厚度，超薄硅双面抛光片的厚度低至100 m，薄如纸张，采用传统粘蜡抛光工艺，加工效率极低且碎片率极高，同时硅片几何参数无法保证。已知的硅抛光片研制单位均在近几年开展该产品的研制，所用的工艺路径和技术参数均不相同1-5。基于传统硅片加工思路，即切割-研磨-腐蚀-抛光工艺，已经难以适应薄至100 m的抛光片。研磨厚度最低为180 m，腐蚀厚度最低为160 m，若研磨、腐蚀厚度进一步降低，碎片会无法控制，因此只能获得160 m的腐蚀片。这样一来，按传统粘蜡工艺，硅片抛光需双面去除60 m，在实际生产过程中加工速率仅为0.2 m/min，效率极其低下，且在粘片、取片、去蜡的环节中碎片率较高，作者简介：田原（1 9 8 9-），男，硕士，工程师，主要从事半导体材料加工的研究工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.01.013新工艺新技术第44卷第1期51采用传统思路已经不能解决这一问题。借鉴超薄锗单面抛光片加工经验，磨削工艺可有效减少硅片表面的损伤层、改善几何参数；针对超薄硅片加工，采用贴膜抛光工艺，可以保证抛光的效率和成品率6-7。因此，设计在硅片腐蚀后采用磨削+贴膜抛光的工艺，以实现超薄硅双面抛光片加工效率的提升。1 试验1.1 试验方案设计了两种硅片在腐蚀后的磨削+贴膜抛光加工试验方案：方案1：硅腐蚀片正面贴膜背面磨削至135 m背面抛光至130 m去膜背面贴膜正面磨削至105 m正面抛光至100 m去膜清洗，如图1所示。方案2：硅腐蚀片背面抛光至145 m背面贴膜正面磨削至105 m正面抛光至100 m去膜清洗，如图2所示。图1 方案1 设计思路图2 方案2 设计思路（3001 000 m）的硅片贴付于抛光陶瓷盘上时，抛光机施加的压力会完全由硅片承受，但当厚度仅为100 m左右的硅片贴付于抛光盘上时，由于抛光布弹性的影响，抛光机施加的压力则会由抛光用陶瓷盘和硅片一同承担，相对低的压力不可避免地造成加工效率降低。若进一步增加压力，则有可能造成碎片率进一步增加。同时，由于硅片厚度降低，硅片的强度将有所下降，在去蜡阶段不能采用常规硅片粘蜡抛光所用的低温取片方式，即向硅片边缘施加剪切力使蜡膜发生脆裂以瞬间将硅片从陶瓷盘上脱离的方式，会造成硅片破碎，因此仅能采用加热取片方式，这就需要增加陶瓷盘烘干、加热、去蜡等步骤，在蜡膜充分软化后将硅片从陶瓷盘上揭下，所耗时间成倍增加。采用磨削+贴膜抛光的工艺，虽然增加了工艺步骤，但加工时间分配到贴膜、磨削、抛光、去膜清洗等工艺步骤，可实现连续生产，生产75片单工艺步骤用时不超过3 h，加工效率大幅提升。其中，贴膜抛光阶段，所采用UV膜厚度约为130 m，抛光时硅片+UV膜总厚度达到200 m以上，接近于常规参数硅片的厚度，抛光加工效率可达到0.6 m/min，且由于硅片经过磨削加工，抛光仅需去除5 m而不是粘蜡抛光所需的15 m，抛光加工所用时间仅为粘蜡抛光的6%左右。磨削加工为采用固结磨料的金刚石砂轮对硅片仅需加工，具有加工效率高、精度高的优势，本文中所采用的全自动磨削设备的加工效率可达到30片/h，采用磨削加工有助于提升超薄硅片的加工效率。2.2 碎片率的降低采用两种方案的腐蚀后加工碎片率及采用双面粘蜡抛光的加工碎片率见表1。采用磨削+贴膜抛光的工艺，碎片率相比双面粘蜡抛光传统工艺，碎片率大幅下降。采用双面粘蜡工艺碎片率较高，由于硅片强度随厚度降低而降低，当厚度低至100 m左右时，在粘蜡、取片、去蜡清洗等阶段极易发生碎片。而采用磨削+贴膜抛光工艺，在磨削、贴膜等过程中，避免了加热取片、超声去蜡等极易产生碎片的环节，碎片率显著下降。对比方案1和方案2，由于方案2加工步骤减少，碎片率更低，主要是由于方案1较方案2增加了1次贴膜和1次去膜步骤，工艺更为复杂，这就造成碎片有所增加。在实际生产过程中，碎片的产生主要是由于在贴膜、去膜、清洗等环节人为操作不当造成，随加工工艺逐步固化，加工量提升，操作者的熟练度也随之提升，碎片率将进一步降低。2.3 几何参数的改善采用两种方案加工硅片的几何参数对比情况见1.2 试验设备及耗材硅 酸 腐 蚀 片 参 数 为：厚 度 1 6 0 5 m，P，直径1000.5 mm，电阻率0.10.2 cm。磨削采用2000号砂轮。抛光采用无蜡垫贴膜抛光。几何参数测试采用MS-103型几何参数测试仪。方案1、方案2以及粘蜡抛光方案中，各取5片用于几何参数测试。2 试验数据分析2.1 加工效率的提升对比两种磨削+贴膜抛光工艺方案的腐蚀后加工效率及采用双面粘蜡抛光的加工效率。传统粘蜡抛光加工速率仅为0.2 m/min，加上粘蜡及去蜡清洗时间，单班（12 h）产量仅为75片。当常规厚度田原，等：超薄硅双面抛光片加工效率的提升2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology52表1 腐蚀后加工碎片率对比表2 几何参数对比方案投产片数/片合格片数/片碎片率/%方案12 0 41 8 49.8方案21 5 21 4 63.9双面粘蜡8 15 63 0.8方案T T V/mWa r p/m方案13.3 5.71 3 2 1方案24.7 1 0.43 3 5 1双面粘蜡7.6 1 3.31 5 2 4表2。方案1几何参数优于方案2，方案1的总厚度偏差（TTV）和翘曲度（Warp）低于方案2，这主要是由于对于超薄片而言采用磨削加工对控制几何参数更有优势。硅片抛光，受化学作用和机械作用的双重影响，硅片的几何参数较难控制；而磨削加工仅受机械作用影响，硅片的几何参数好坏主要受磨削设备精度影响，几何参数可以控制到较低的水平，因此采用磨削工艺代替抛光工艺去除硅片表面损伤层有助于改善硅片的几何参数。在本文中，由于硅片厚度较薄，磨削机难以直接加工，所以只能采用贴膜后磨削的方式，一定程度上影响了磨削加工的几何参数，超薄硅片磨削后的几何参数水平逊于常规厚度硅片磨削后的几何参数水平。对于常规厚度硅片，粘蜡抛光的几何参数会优于贴膜抛光，但对于超薄硅片而言，由于抛光时压力分布不均匀，抛光过程硅片不同部分的去除速率较难保持一致，从而造成硅片几何参数变差，双面粘蜡工艺呈现出较差的几何参数。测试增大。对比磨削+贴膜抛光工艺和粘蜡抛光工艺，磨削+贴膜抛光工艺在加工效率、碎片率、几何参数上具有优势。对比磨削+贴膜抛光工艺的两种加工方案，从加工成本和成品率方面考虑，方案2为一次贴膜、一次磨削，效率和成品率都比较高。从硅片品质上来讲，由于磨削可最大程度上保证硅片的几何参数，方案1采用了多磨削、少抛光的工艺思路，其几何参数相比方案2更有优势。3 结论超薄硅双面抛光片在硅片腐蚀后采用磨削+贴膜抛光的工艺，利用硅片磨削工艺有效减少了硅片表面的损伤层，改善了几何参数，利用硅片贴膜抛光工艺，提高了加工效率和成品率，有效解决了超薄硅双抛片加工效率低、碎片率高、几何参数难以保证、成品率低的问题。该产品的研制成功，有助于积累特种硅片加工技术，拓展硅片的应用领域。参考文献1张楷亮,宋志棠,钟晻,等.半导体硅片双面超精密化学机械抛光的研究C/第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术年会.北京:中国电子学会,2005:138.2王彩玲.300mm硅片化学机械抛光设备及其关键技术研究D.大连:大连理工大学,2010.3赵权,杨洪星,刘春香,等.超薄硅双面抛光片抛光工艺技术J.电子工业专用设备,2011,40(3):4.4胡晓珍,李伟.硅晶片抛光加工工艺的实验研究J.机械设计与制造,2009(4):3.5李科技,由佰玲,武卫,等.单抛机双面硅抛光片有蜡贴片工艺研究C/第二十五届中国（天津）2011IT、网络、信息技术、电子、仪器仪表创新学术会议.天津:天津市仪器仪表学会,2011.6王云彪,杨洪星,耿莉,等.超薄锗单晶抛光片质量稳定性研究J.中国电子科学研究院学报,2016,11(5):5.7杨静,王雄龙,韩焕鹏,等.MEMS用硅片的磨削工艺研究J.电子工业专用设备,2018,47(4):4.（收稿日期：2022-09-20）同时值得注意的是，采用两种方案加工的硅片，Warp值均较大，这主要由于硅片仅经过单面磨削，磨削过程造成磨削面应力集中，后续的抛光过