CN101780662A - 超精密低损伤磨削硅片的软磨料砂轮 - Google Patents
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Abstract
本发明属于硬脆晶体材料超精密加工领域，涉及一种超精密低损伤磨削硅片的软磨料砂轮。软磨料砂轮由基体和磨料层制成，磨削层由磨料、添加剂、结合剂和气孔组成，其中磨料为硬度低于单晶硅且能与单晶硅发生化学反应的MgO磨料，添加剂由能够直接与单晶硅发生化学反应或者能为MgO磨料与单晶硅的化学反应提供促进环境的CaO、Na2CO3和NaHCO3组成，砂轮磨料层整体热压或分块粘结的在基体上。本发明软磨料砂轮的磨削性能稳定，不需要经常修整砂轮；材料去除率高，磨削硅片的表面层质量能够达到CMP加工硅片的效果，硅片表面不会出现磨削烧伤的现象。
Description
技术领域
本发明属于硬脆晶体材料超精密加工领域，涉及一种超精密低损伤磨削硅片的软磨料砂轮。
背景技术
硅片是集成电路制造过程中最广泛应用的半导体衬底材料，硅片的表面层质量直接影响到半导体器件的性能、成品率及使用寿命。随着集成电路技术的发展，对硅片的表面层质量要求日益提高。在集成电路制造工艺过程中，超精密磨削是大尺寸硅片平整化加工和图形硅片背面减薄的重要加工工艺方法之一。然而，磨削方法面临的最大的挑战就是磨削后硅片的表面层损伤问题，需要增加后续工艺消除损伤。如何尽可能地减小甚至消除硅片磨削表面层损伤一直是该领域内研究学者不断探索的目标。目前，主要有两个技术途径：一是减小金刚石砂轮的粒度，可以有效地减小磨削损伤层深度和表面粗糙度。但是，采用超细粒度金刚石砂轮磨削硅片的材料去除率低，还存在砂轮自锐性差，易于产生磨削烧伤问题。其次，通过减小金刚石砂轮磨粒的切削深度，使磨粒的切削深度减小到硅片延性域磨削临界切削深度，可以避免磨削硅片表面/亚表面形成裂纹，有效地减小磨削损伤，但延性域磨削的硅片表面依然存在位错、非晶等损伤形式。
在探索减少硅片磨削损伤方法的过程中，近年来出现了采用软磨料砂轮的化学机械磨削新方法，此方法被认为兼顾超精密磨削和化学机械抛光的优点，是非常有潜力的加工工艺方法。尽管目前已经证实利用软磨料砂轮化学机械磨削后的硅片表面能够达到CMP的加工效果，但目前软磨料砂轮主要采用CeO2、SiO2磨料，磨削硅片过程中磨削性能不稳定，材料去除率低，硅片表面经常产生磨削烧伤和划痕。因此，研究新型的软磨料砂轮，是实现硅片超精密低损伤磨削的关键，对于推动软磨料砂轮磨削技术在硅片超精密加工领域的应用具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于新型组织成分配方的超精密低损伤磨削硅片的软磨料砂轮，解决金刚石砂轮磨削硅片存在表面/亚表面损伤和缺陷，以及目前采用CeO2、SiO2等磨料的软磨料砂轮存在磨削性能不稳定，材料去除率低，硅片表面经常出现磨削烧伤，并且时有磨削划痕出现等问题。
本发明采用的技术方案是一种超精密低损伤磨削硅片的软磨料砂轮，该砂轮由砂轮基体和磨料层组成，基体的材料为铝合金，磨料层采用整体热压或树脂胶粘结在砂轮基体上。其特征在于：砂轮的磨料层由磨料、添加剂、结合剂和气孔组成。其中，磨料的硬度比单晶硅低，且能在磨削过程中与硅片表面发生化学作用；添加剂不但能改进软磨料砂轮的特定性能，如砂轮硬度，耐热性能，固化性能和气孔率等，还能够直接与单晶硅发生化学反应或者能为磨料与单晶硅的化学反应提供加工环境；磨料层中各成分所占体积百分比为：磨料为40-45％；添加剂为30-35％；结合剂为15-20％；气孔为5-10％；各原料体积百分比之和为100％；其中，磨料选用纯度为98％以上的MgO磨料，粒度分布为2-7μm；添加剂由CaO、Na2CO3和NaHCO3组成；结合剂为耐热性较好的树脂结合剂。
本发明具有以下明显的效果：MgO软磨料砂轮的磨削性能稳定，磨削硅片过程中不需要经常修整砂轮；磨削硅片的表面粗糙度较CeO2、SiO2软磨料砂轮更低，材料去除率更高；磨削硅片没有磨纹、凹坑、橘皮、微疵点、微裂纹、位错等表面层缺陷，能够达到CMP加工硅片的水平；硅片表面不会出现磨削烧伤的现象。
附图说明
附图1为软磨料砂轮结构图，其中：1-砂轮基体，2-磨料层。
具体实施方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。考虑软磨料砂轮制造成本、工艺可行性以及砂轮连续磨削的要求，磨料层2制成弧形磨块，以一定间距组合粘结在砂轮基体1上，形成齿形砂轮结构，如图1所示。设计磨料层2的外径、齿宽和齿高分别为
350mm、7.5mm和7mm，计算磨料层的总体积为56.5cm3。按照设计的砂轮磨料层体积配置磨料层的配料，各成分体积含量为：MgO磨料40％；CaO添加剂10％；Na2CO3添加剂20％；NaHCO3添加剂5％；改性酚醛树脂结合剂20％。将以上配料混合均匀后，采用热压方式将配料压制成弧形磨块，然后使用环氧树脂将弧形磨料层粘结在砂轮基体，最后校正砂轮的动平衡，通过对砂轮基体的端面进行增重或者减重调整砂轮的动平衡量，直至砂轮的不平衡量达到允许的范围内。校正砂轮的动平衡后，将砂轮安装于VG MK II超精密磨床上进行半导体硅片磨削试验。
实施例：磨削样件为经过#600金刚石砂轮粗磨的单晶硅片，主轴转速为1500r/min，工作台转速为119r/min，进给速度为3μm/min，磨削时间为15min，控制方式为手动控制。MgO软磨料砂轮磨削硅片的材料去除率为2.6μm/min，远高于CeO2、SiO2软磨料的材料去除率，磨削后的硅片表面经扫描电子显微镜(SEM)观测未发现磨纹、凹坑、橘皮、微疵点等表面缺陷。采用美国ZYGO公司的Newview 5022型3D表面轮廓仪检测磨削后的硅片表面粗糙度，检测面积为71×53μm2，表面粗糙度Ra为0.45nm，PV为4.56nm。采用截面透射电子显微镜法(Cross-TEM)检测磨削后硅片的亚表面损伤缺陷和损伤深度，未发现位错和微裂纹，只有10nm的非晶层，远好于金刚石砂轮和现有的CeO2、SiO2软磨料砂轮，已达到CMP的加工效果。同时，磨削硅片过程中，MgO软磨料砂轮的磨削性能稳定，磨削过程中不需要经常对砂轮进行修整，未出现硅片表面磨削烧伤的现象。
Claims (1)
1.一种超精密低损伤磨削硅片的软磨料砂轮，砂轮的磨料层由磨料、添加剂、结合剂和气孔组成，其特征在于，砂轮磨料为硬度低于单晶硅且能在磨削过程中与硅片表面发生化学反应的MgO磨料，磨料纯度为98％以上，粒度分布为2-7μm；砂轮添加剂为CaO、Na2CO3和NaHCO3；砂轮结合剂为树脂结合剂；砂轮磨料层中各成分所占体积百分比为：磨料40-45％；添加剂30-35％；粘结剂15-20％；气孔5-10％，各成分体积百分比之和为100％。
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