CN102407483A - 一种半导体晶圆高效纳米精度减薄方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体晶圆高效纳米精度减薄方法，属于半导体晶圆超精密加工技术领域，特别涉及半导体晶圆的纳米精度减薄加工方法。其特征是采用平均直径小于1μm的金刚石作为磨料，采用多种陶瓷原料作为结合剂的一种高效纳米精度减薄方法。磨削液为去离子水，材料在粗减薄的去除率为9-30μm/min，精减薄的去除率为3-8μm/min。减薄时主轴转速为1800-5000r/min，工件转速为60-300r/min。适合的半导体的硬度值在25GPa以下，直径为18英寸以下的大直径半导体晶圆。本发明的效果和益处是实现了半导体晶圆的高效纳米精度减薄的加工效果。
Description
技术领域
本发明属于半导体晶圆超精密加工技术领域，特别涉及半导体晶圆的纳米精度减薄加工方法。
背景技术
随着半导体工业的快速发展，半导体产业界对半导体晶圆的直径要求越来越大，厚度越来越薄，精度要求越来越高。这就使得传统的采用研磨抛光机来进行大直径半导体晶圆减薄的方法不能满足快速发展的半导体工业的需要。传统的研磨抛光方法，在初始加工阶段，采用游离颗粒进行研磨尽量去除较大的余量厚度，当厚度减小到一定值时，采用小直径游离磨料的抛光方法直到减薄到规定尺寸。这种加工方法在初始的研磨阶段留下了较大的划痕以及亚表面损伤层厚度，要借助于后续的抛光方法尽量减少这些划痕和损伤层，并达到规定的晶圆厚度。后续的抛光方法由于不能精确控制进给深度及压力，在半导体晶圆达到数十微米时，非常容易产生裂片、碎片、划伤等加工缺陷，导致废片的产生。由于大直径半导体晶圆价格昂贵，尤其是加工到一定厚度，又凝聚了企业大量的前期加工成本，一旦产生废片，会导致企业的利润大打折扣。企业为了减少这种精减薄阶段的加工缺陷的产生，采用极低的去除率来最终达到减薄的厚度。这样虽然减少了废片率，但是大大延长了加工时间，成本增加，也导致企业的利润下滑。因此，这种传统的游离磨料研磨抛光方法越来越不能满足快速发展的半导体工业发展的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体晶圆高效纳米精度减薄方法，采用陶瓷结合剂超细金刚石砂轮作为磨削工具，去离子水作为磨削液，实现大直径半导体晶圆高效纳米精度减薄的目的，解决目前采用传统游离磨料研磨抛光加工方法减薄大直径半导体晶圆时容易发生的裂片、碎片、划伤等加工缺陷，从而获得半导体晶圆的高效纳米精度减薄的加工效果。
本发明的技术方案是采用平均直径小于1μm的金刚石作为磨料，采用多种陶瓷原料作为结合剂的一种高效纳米精度减薄方法。磨削液为去离子水，材料在粗减薄的去除率为9-30μm/min，精减薄的去除率为3-8μm/min。减薄时主轴转速为1800-5000r/min，工件转速为60-300r/min。适合的半导体的硬度值在25GPa以下，直径为18英寸以下的大直径半导体晶圆。实现了半导体晶圆的高效纳米精度减薄的加工效果。
半导体晶圆的硬度在25GPa以下。本发明采用的是陶瓷结合剂超细金刚石砂轮，因此半导体晶圆的硬度太大的话，就是使得超细磨料容易脱落，砂轮的磨损就会较快，因此，需要限制半导体晶圆工件的硬度。
半导体晶圆的直径在18英寸以下。半导体晶圆的直径的增大对于技术增加的难度会增加很多，尤其是大直径高平坦化方面，本发明由于是提供一种高效纳米精度减薄方法，因此需要对晶圆的直径进行限制，以发挥本发明的优点。
磨削液为去离子水。由于在高效纳米精度减薄时，会产生磨削热，这种热会产生应力，为了快速带走这些磨削热，采用去离子水作为磨削液和冷却液，不添加任何化学物质，为绿色环保的加工方法，而且加工成本相对于化学机械抛光液相比，既环保，价格又低廉。
减薄时砂轮主轴转速为1800-5000r/min，工件转速为60-300r/min。由于本 发明要实现单转纳米级材料去除，才能有效避免传统加工方法的裂片、碎片、划伤的加工缺陷，因此要求最低为1700r/min，而如果转速太高的话，也会影响主轴的动平衡及精度，因此对最高转速进行限定为5000r/min。根据纳米磨削的经验，工作台转速对加工质量影响较小，合适的速度对于提高纳米精度减薄的质量非常有好处，因此根据常用的纳米磨削减薄的加工参数，选择这个区间的工作台转速较好。
粗减薄阶段材料的去除率为9-30μm/min，精减薄阶段材料的去除率为3-8μm/min。为了去除较多的余量，在开始的阶段可以采用9-30μm/min的较大去除量。本发明采用的是主轴达到数千转的纳米磨削方法，即使以这种去除量去除，也可以精确控制单转的去除量在纳米量级，也可以有效避免传统加工方法的裂片、碎片、划伤等加工缺陷，而亚表面的损伤层也可以控制在100nm以下的水平，因此既高效，同时又可达到纳米精度的减薄加工。当剩余余量在50微米左右时，即可采用3-8μm/min较小余量去除。根据这种纳米级减薄的加工经验，1-2μm/min的主轴进给量，容易烧伤工件，因此选择3-8μm/min的材料去除量。这个区间的去除量可以精确控制单转去除量为几个nm，因此适合与大直径半导体晶圆的减薄，同样也具有高效和纳米精度减薄特征。
磨削砂轮的结合剂为陶瓷结合剂，含有碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方碳化硼、碳化硼、氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化铈、氧化钕中的三种或者四种，粒度与金刚石磨料的粒度相匹配；抑制剂和分散剂为氯化钠、氯化镁、氯化钾、硝酸钠、硝酸钾、硝酸镁中的一种或两种。采用超细金刚石砂轮就是为了控制亚表面损伤层的厚度在100nm以下，以达到实现精密纳米级延性域去除，避免碎片、裂片、划伤等加工缺陷的发生。对于这种平均直径小于1μm的超细金刚石，传统的树脂结合剂，不能提供足够的把持力。如果要提供足够的把持力， 必须牺牲孔隙率，没有好的孔隙率的砂轮，一般是不能加工出高质量的工件的，也没有实际的加工效果。如果采用金属结合剂，则砂轮很难有自锐性，加工效果也是很好。因此，选择陶瓷作为结合剂，既能提供足够的把持力，又能具有良好的自锐性。采用碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方碳化硼、碳化硼作为结合剂，一方面能提供足够的把持力，另一方面当磨损的金刚石磨料被拔出后，也能够短期担当磨料的功能，直到新的金刚石露出为止，因此具有磨削的一致性及可靠性。氧化铝、氧化硅、氧化镁可以与上述的陶瓷在烧结中很好地结合，而且硬度稍地，可以减少上述主粘贴陶瓷的侵略性磨削行为。另一方面，不同陶瓷在烧结时的体积收缩率不同，可以产生更好的孔隙率及微观结构。氧化铈、氧化钕是很好的润滑材料，对于提高砂轮的性能很有好处，同时与上述材料可以进行很好的融合。氯化钠、氯化镁、氯化钾、硝酸钠、硝酸钾、硝酸镁可以在烧结中抑制上述陶瓷的晶粒的长大，同时可以起到分散剂的作用。由于陶瓷超过4种成分以后会很难控制烧结温度，因此选择四种陶瓷左右比较合适。
本发明的效果和益处是采用陶瓷结合剂超细金刚石砂轮作为高效纳米精度减薄工具，在粗减薄阶段采用较大的去除率，在精减薄阶段采用较小的去除率，从而实现高效纳米精度减薄的效果，有效避免传统游离磨料研磨抛光过程中容易发生的大直径半导体晶圆裂片、碎片、划伤等加工缺陷。采用去离子水作为磨削液和冷却液，为一种绿色环保的减薄方法。本发明实现了大直径半导体晶圆的高效纳米精度减薄加工方法。
具体实施方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。
采用#20000超细金刚石磨料，对应的金刚石颗粒的平均直径为520nm，作为砂轮的磨削颗粒。将#20000的氮化硅、氧化铝、氧化硅、氧化镧按照重量比 50∶30∶19.5∶0.5的比例进行均匀混合，然后加入重量比为0.8％的硝酸钠作为细化剂和分散剂，采用室温机械压制成长18mm、宽3mm、高5mm的小块。将60个这种小块放入高温烧结炉中进行烧结，在室温下以10度每分均匀升温到500-560度，保温40-60分钟，然后再以4-6度每分均匀升温到610-640度，最后以1-2度每分均匀升温到670-700度，保温120-150分钟，自然冷却到室温，即可烧结成功超细陶瓷结合剂砂轮小块。将56块烧结小块均匀分布与350mm不锈钢边缘的窄槽中，采用高强度粘接胶与不锈钢骨架进行粘接。等到胶固化后，即可制备成砂轮。这种砂轮的尺寸按照日本Okamoto公式产的VG401 MKII机床的标准砂轮骨架制造，以便顺利安装到超精密机磨上。将粘接好的砂轮进行动平衡实验，实验合格后，即可安装到超精密磨床上。
采用12英寸的商用Si(100)半导体晶圆作为工件进行减薄，工件的厚度为750μm。采用去离子水最为磨削液，主轴转速为2350r/min，工作台转速为200r/min。采用真空吸盘将半导体晶圆的化学机械抛光面自动装夹于工作台上，纳米精度减薄背面的腐蚀面。开始的材料去除率为20μm/min，粗减薄30min，实现600μm的去除量，然后采用5μm/min，减薄16min，再去除80μm的余量，最后剩余70μm的薄膜。在高效纳米精度减薄的过程中没有发生裂片、碎片、划伤的加工缺陷，有效避免了传统加工方法的加工缺陷。采用ZYGO非接触表面轮廓仪对大直径半导体晶圆的厚度进行测量，剩余的薄膜的厚度为85μm。本方法可以精确控制高效纳米精度减薄的厚度尺寸，多出的15μm是没有考虑砂轮的磨损导致的进给误差。
Claims (1)
1.一种半导体晶圆高效纳米精度减薄方法，采用陶瓷结合剂超细金刚石砂轮作为磨削工具，去离子水作为磨削液，实现大直径半导体晶圆高效纳米精度减薄的目的，其特征是：
(1)半导体晶圆的硬度在25GPa以下；
(2)半导体晶圆的直径在18英寸以下；
(3)磨削液为去离子水；
(4)减薄时砂轮主轴转速为1800-5000r/min，工件转速为60-300r/min；
(5)粗减薄阶段材料的去除率为9-30μm/min，精减薄阶段材料的去除率为3-8μm/min；
(6)磨削砂轮的磨料为金刚石，颗粒的平均直径小于1μm，对应的粒度大于#10000；
(7)磨削砂轮的结合剂为陶瓷结合剂，含有碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方碳化硼、碳化硼、氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化铈、氧化钕中的三种或者四种，粒度与金刚石磨料的粒度相匹配；抑制剂和分散剂为氯化钠、氯化镁、氯化钾、硝酸钠、硝酸钾、硝酸镁中的一种或两种。
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| CN105921744B (zh) * | 2016-05-03 | 2018-05-11 | 广东智维立体成型科技有限公司 | 一种金属打印抑制剂 |
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| CN106584263A (zh) * | 2016-12-22 | 2017-04-26 | 清华大学 | 基于纳米金刚石颗粒的大规模芯片减薄方法 |
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| CN108942709B (zh) * | 2018-07-11 | 2019-10-01 | 郑州磨料磨具磨削研究所有限公司 | 一种晶圆减薄砂轮及其制备方法 |
| CN111216034A (zh) * | 2020-02-26 | 2020-06-02 | 中国科学院微电子研究所 | 一种半导体器件及其制作方法 |
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