（机械制造及其自动化专业论文）硅片自旋转磨削面型仿真与实验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着集成电路( i c l 制造技术的飞速发展，为了增大i c 芯片产量，降低单元制造成本， 硅片趋向大直径化：同时，为了提高i c 的集成度，要求硅片的刻线宽度越来越细，对硅 片表面质量的要求越来越高，以研磨、腐蚀为特征传统的硅片加工工艺已无法满足大尺 寸硅片3 n q - 的要求。虽然自旋转磨削技术以其优异的性能，广泛地应用于大尺寸硅片加 工中的材料制备阶段和图形硅片的背面减薄工序中，被认为是目前加工大尺寸硅片最理 想的磨削方法，但目前仍存在硅片加工过程中容易产生翘曲变形、面型精度不易保证等 亟待解决的技术难题。 本文综合考虑硅片夹持系统中真空吸盘修整参数以及硅片磨削参数等多种因素，建 立了硅片自旋转磨削面型的理论模型；在此模型的基础上，推导了硅片磨削面型的方程 式以及表征硅片表面质量的重要指标硅片总厚度变化f 兀v ) 的计算公式；并应用v c + + 6 0 编程技术和o p e n g l 三维图形库开发了硅片磨削面型仿真软件，对真空吸盘修整面型 以及硅片自旋转磨削面型进行了计算机仿真和预测；并分析了真空吸盘修整面型、砂轮 转速、工作台转速、砂轮主轴进给速率、磨床主轴左右摆动角以及前后偏摆角等加工参 数对硅片磨削面型的影响规律。 在以上理论研究基础上，以v g 4 0 1 m k i i 型超精密磨床为试验平台进行了硅片自旋 转磨削面型试验，研究了真空吸盘修整面型、砂轮转速、工作台转速、砂轮主轴进给速 率、磨床主轴左右摆动角以及前后偏摆角等加工参数对硅片磨削面型的影响情况，并对 硅片自旋转磨削面型的计算机仿真结果同试验检测结果进行了验证。 研究结果为硅片超精密磨削面型的预测提供了参考，对有效控制硅片磨削面型以及 合理选择磨削工艺参数提供了依据，对于实现大尺寸硅片高精度面型磨削加工具有重要 指导意义。 关键词：硅片；超精密磨削；集成电路；自旋转磨削；计算机仿真 唐克岩：硅片自旋转磨削面型仿真与实验研究 s o m es t u d yo ns i m u l a t i o na n de x p e r i m e n to f g r o u n dw a f e rs h a p ei nr o t a t i o n a lg r i n d i n gm e t h o d a b s t r a c t w i t hf a s t e r d e v e l o p i n g o fi n t e g r a t e d c i r c u i t s ( i c ) m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，t h e d i a m e t e ro fs i l i c o nw a f e rt r e n d st ob el a r g e ra n dl a r g e ri no r d e rt oi n c r e a s et h ey i e l d so f c h i p s a n dd e c r e a s et h ec o s tp e rb i t ，a tt h es a m et i m e t h ew i d t ho fl i n ei s g e t t i n gm o r ea n dm o r e s l e n d e ra n dt h er e q u i r e m e n to ff l a t n e s si sm u c hh i g h e ri no r d e rt oe n h a n c ei ci n t e g r a t e d d e n s i t y 1 1 1 et r a d i t i o n a lm a c h i n i n gt e c h n i c sw i t hc h a r a c t e ro fl a p p i n ga n de r o d i n gc a n n o t s a t i s f yt h en e e do fm a c h i n i n gw a f e ro fl a r g ed i m e n s i o n n er o t i o n a lg r i n d i n gw h i c hh a sal o t o fe x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，h a sw i d e l yu s e di nb o t hm a n u f a c t u r i n go ft h es i l i c o nw a f e rm e d i a a n db a c kt h i n n i n go ft h ep a t t e r nw a f e r a n dt h er o t i o n a lg r i n d i n gi sc o n s i d e r e da st h em o s t p r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o rp r o c e s s i n gt h el a r g es c a l es i l i c o nw a f e ra tp r e s e n t b u tn o wt h e r e a r em a n yp r o b l e m st ob es o l v e d ，f o re x a m p l e ，t h ew a f e ri se a s i l yt ow a r pa n dt h em a c h i n i n g a c c u r a c yo fw a f e rs h a p ei sd i f f i c u l tt oa c h i e v e i nt h i sp a p e r , b a s e do nr o t a t i o n a lc o o r d i n a t e sm e t h o d ，at h e o r e t i c a lm o d e lo fg r o u n d w a f e rs h a p ei nr o t a t i o n a lg r i n d i n gp r o c e s si s d e v e l o p e d i nw h i c hm a n yc r i t i c a lf a c t o r s i n c l u d i n gt h ep a r a m e t e r so fap o r o u sc e r a m i cv a c u u mc h u c kd r e s s i n ga n ds i l i c o nw a f e r g r i n d i n ge t c ，a r ec o n s i d e r e d b a s e do nt h em o d e l ，t h ee q u a t i o no fg r o u n dw a f e rs h a p ea n dt h e f o r m u l ao ft o t a lt h i c k n e s sv i a r a t i o n 哪w h i c hi sa ni m p o r t a n tc h a r a c t e ro fw a f e rs u r f a c e q u a l i t ya r ee d u c e d t h r o u g ht h em o d e l ，c o m p u t e rs i m u l a t i o ns o f t w a r ea b o u tg r o u n dw a f e r s h a p ei sd e v e l o p e dw i t hv c + 十6 0a n do p e n g l t h r o u g hs i m u l a t i o n d r e s s e dv a c u u n lc h u c k s h a p ea n dt h eg r o u n dw a f c rs h a p ei sp r e d i c t e da n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r o u n dw a f e r s h a p ea n de f f e c tf a c t o r si sg i v e n o nt h eb a s eo fa b o v et h e o r y as e r i e so fp r o c e s se x p e r i m e n t so fw a f e rg r i n d i n ga r e c a r r i e do u to nav ( 弭0 1 m ki ig r i n d i n gm a c h i n e t h ee f f e c to ft h ed r e s s e dv a c u u mc h u c k s h a p ea n dt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h er o t a t i o n a ls p e e do ft h ec u pg r i n d i n gw h e e l ， t h ed o w nf e e dr a t eo ft h eg r i n d i n gw h e e ls p i n d l e ，t h er o t a t i o n a ls p e e do ft h ec h u c kt a b l ea n d t h er o l la n g l ea n dp i t c ha n g l eo fg r i n d i n gw h e e ls p i n d l e ，o ng r o u n dw a f e rs h a p ei ss t u d i e d a t t h es a m et i m e ，t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fg r o u n dw a f e rs h a p ea n dt h es i m u l a t i o ni sv e r i f i e db y c o m p a r i n g w i t hs i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t t h es t u d yr e s u l t sp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sa n da v a i l a b l et e c h n i c a lw a y st op r e d i c tt h e w a f e rs h a p e a n di ti si m p o r t a n tt oi m p r o v et h ef l a t n e s so fg r o u n dw a f e ra n ds e l e c t et h e 大连理工大学硕士学位论文 p r o p e rp a r a m e t e r so fg r i n d i n gp r o c e s s t h es t u d yi sa l s op r o p i t i o u st or e a l i z i n gh i 曲p r e c i s i o n s h a p eo fl a r g es i z ew a f e ri nu l t r a p r e c i s i o ng r i n d i n gm e t h o d k e yw o r d s ：w a f e r ；u l t r a p r e c i s i o ng r i n d i n g ：i n t e g r a t ec i r c u i t ( i c ) ；r o t a t i o n a lg r i n d i n g c o m p u t e rs i m u l a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：麈击望日期：丝至! 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：廛羞羞 导师签名毖) 二型 t， 旦年l 月鱼一日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源与背景 1 1 1 课题的来源 本课题来源于国家自然科学重大基金项目“先进电子制造技术中的重要科学问题” 的子课题“超精密抛光中的纳米粒子行为和化学作用及平整化原理与技术”( 资助项目 编号：5 0 3 9 0 0 6 1 ) 和国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题项目“面向下一代i c 的 大直径硅片超精密磨削技术与装各研究”( 资助项目编号：2 0 0 2 a a 4 2 1 2 3 0 ) 。 1 1 2 课题的背景 集成电路( i o 是电子信息业的核心，更是推动国民经济和社会信息化发展最主要的 高新技术之一【l - 5 。目前，以半导体集成电路为基础的电子信息产品的世界贸易额已达 到了1 万亿美元，成为世界第一大产业，世界工业发达的经济强国都是电子强国，其国 民经济总产值增长部分的6 5 与i c i 、& 相关【6 】。i c 在电子设备中的作用越来越突出，在 一台整机中，1 9 9 0 年半导体产品的价值占整机价值的比例为6 7 ，1 9 9 5 年为1 1 1 5 ， 到2 0 0 0 年占2 3 2 7 【5 】。随着i c 制造技术的飞速发展，为了提高i c 的集成度，要求硅片的 刻线宽度越来越细；为增大i c 芯片产量，降低单元制造成本，硅片趋向大直径化 ”。按 照美国半导体工业协会( s i a ) 的微电子技术发展构图，到2 0 0 5 年，硅片直径将增大到 3 0 0 m m ，特征线宽将减小到o 1 p m ，芯片集成度将增 3 1 1 至f j l 6 g d r a m ，可以使硅片的表 面积增加了2 2 5 ，每个硅片可承载的芯片数量增加2 4 0 ，硅片加工成本减小2 4 ，芯 片单位生产成本降低3 7 以上。到2 0 0 8 年，将开始使用4 5 0 m m 硅片，实现特征线宽0 o 即m 的生产技术，芯片集成度将达至0 6 4 d r a m 。 i c 的发展离不开晶体完整高纯度高精度高表面质量的硅片，全球9 0 以上的i c 都要 采用硅片作为衬底材料( s u b s t r a t e ) 【1 7 以7 1 。硅片的表面平整度( f l a t n e s s ) 、表面粗糙度 ( r o u g l m e s s ) 和表面完整性( i n t e g r i t y ) 是影响集成电路刻蚀线宽和i c 芯片性能的重要因素： 其尺寸影响i c 芯片的制造成本和出片率。 随着i c 带i j 造技术的飞速发展，硅片趋向于大直径化。随着硅片直径的增大，为了保 证硅片有足够的强度，原始硅片( p r i m a r yw a f e r ) 的厚度也相应增加，目前2 0 0 r a m 直径硅 片的平均厚度为7 2 5 z m ，而3 0 0 m m 直径硅片的平均厚度增j j l 7 到7 7 5 z m 。硅片的尺寸参数 如表1 1 所示。与此相反，为满足1 c 芯片封装的需要，提高i c 尤其是功率i c 的可靠性、降 低热阻、提高芯片的散热能力和成品率，要求芯片厚度( c h i pt h i c k n e s s ) 薄型化，芯片的 唐克岩：硅片自旋转磨削面型仿真与实验研究 平均厚度每两年减少半，目前芯片厚度已减小到1 0 0 2 0 叽m ，智能卡、m e m s 、生物 医学传感器等i c 芯片的厚度已经减小到1 0 吮m 以下，高密度电子结构的三维集成和立体 封装芯片更是要求厚度小于5 叭m 的超薄硅片】。 硅片直径和厚度的增大以及芯片厚度的减小给半导体加工带来许多突出的技术问 题。硅片直径增大后，特征线宽越来越细，对硅片的平整度要求越来越高。集成电路的 特征线宽可以用最有代表性的m o s 动态随机存储器( d r a m ) 的位数来表征，集成电路中 每个元件的尺寸可以用特征线宽来表征。由于集成电路工艺中的光刻工艺对硅片表面的 基本要求是其表面的高度差在光刻机的光学系统的景深范围内，而光刻机光学系统的景 深范围随着放大倍数的增大而减小，这就意味着越来越小的特征线宽将要求越来越高的 平整度。一般认为硅片的表面局部平整度的t i r 值应该大约等于光刻机的1 2 至1 3 ，而硅 片表面的局部平整度s f q d 的读数应该大约与特征线宽相当。般采用特征线宽0 1 z m l 拘 生产技术要求直径3 0 0 r a t a 硅片的总厚度变化 0 毕m ，在2 5 x 4 0 m m 2 区域内的局部平 整度f s f q d ) 0 0 7 , u r n ；此外，在多层布线立体结构中，对每层表面的局部平整化和全局 平整化提出了很高的要求，如每层的全局平整度 8 7 n m ，在2 5 x 4 0 m m 2 区域内的局部平 整度 5 0 h m 。这样就导致大直径硅片表面平整度要求不易保证，且容易产生翘曲变形。 因此，提高硅片加工面型的精度成为一个亟待解决的问题。根据国际半导体技术路线 指南i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a ps e m i c o n d u c t o r s ) ) ( i t r s ) 1 9 9 9 年0 t r s ) 2 0 0 0 年 - ( r r r s ) 2 0 0 1 年- ( r r r s ) 2 0 0 3 年在近期、远期中对i c 用硅片主要的技术参数要求【1 8 】如表1 1 所示。 表1 1i c 制造对硅片加工技术指标的要求 t a b 1 1r e q u e s tf o rs i l i c o nw a f e ro fi c 大连理工大学硕士学位论文 综上所述，随着硅片尺寸的不断增大，硅片在加工过程中容易产生翘曲变形，而且 加工精度和表面平整度要求不易保证，尤其是大尺寸硅片加工的平整度问题，已经变得 越来越严重，因此控制硅片加工的面型精度面临着严峻的挑战。 1 2 硅片超精密磨削研究概况 1 2 1 国外研究概况 国外对硅片的研究开展比较早，也取得了很多成功的经验和理论。1 9 7 7 年日本日立 公司研制成功第一台超高精度平面磨床，主要用于磨削硅片，达到平面度0 3 p m 2 0 0 m m ， 粗糙度r y 0 0 2 t m ，可以代替研磨i ”锄 。但使用平行砂轮磨削时，由于砂轮宽度有限， 必须迸行横进给磨削，磨削精度和磨削效率较低。随后出现的硅片磨削工艺是旋转工作 台式平面磨削。这种工艺采用立式磨削，使用静压空气轴承的砂轮主轴，通过真空吸盘 在工作台上一次装夹固定多个硅片。磨削时，杯型金刚石绕其轴线旋转并进行轴向进给， 硅片随旋转工作台运动作水平周向进给实现多个硅片的加工。但是，由于磨削过程中砂 轮的接触长度、接触面积、切入角度( 砂轮外周与工件外圆之间夹角) 随砂轮与工件相 对位置不同而变化，磨削力不能保持恒定。变化的法向磨削力引起的工艺系统的弹性变 形使硅片产生中凸现象，因此，利用旋转工作台式磨削代替研磨和腐蚀时难以获得理想 的面型精度和表面质量 2 2 , 2 3 j 。特别是硅片直径增大后，磨床旋转工作台的尺寸也相应要 增大许多，工作台较高的面型精度和运动精度不易保证，机床占用空间和能源消耗也相 应加大，己不适合大直径硅片的加工。1 9 8 8 年，日本学者s m a t s u i 等【2 4 ，”l 提出了硅片 自旋转磨削方法，其原理如图： 1 1 所示。采用略大于硅片尺 寸的转台，硅片的中心与转台 的中心重合，杯型砂轮的工作 面调整到硅片的中心位置。磨 削时，硅片和砂轮绕各自的轴 线回转，砂轮只是相对于硅片 进行轴向进给。由于是杯型砂 轮单纯地切入磨削，砂轮的接 触长度、接触面积、切入角固 图1 1 硅片白旋转磨削原理 f i g 1 1p r i n c i p l eo fw a f e rr o t a t i o ng r i n d i i l g 定不变，因此，加工余量可以不受限制，磨削力可以保持恒定，从原理上可以实现面型 精度的主动控制。与旋转工作台式磨削相比这种方法不仅可以获得更高的加工效率和很 唐克岩：硅片自旋转磨削面型仿真与实验研究 高的面型精度，而且通过微量进给可以实现高表面质量的延性域磨削，被认为是目前加 工大尺寸硅片最理想的磨削方法【2 6 日4 j 。 在硅片超精密磨削理论研究和试验研究的基础上，国外的一些大学和公司已经研究 和开发了许多硅片超精密磨削装备。日本i b a r a k i 大学的h e d a 等人【3 5 4 7 1 研究了基于自旋 转磨削原理的集成磨削系统，该系统采用超磁致伸缩微驱动装置调整砂轮轴与工件轴的 夹角控制硅片面型精度，应用精密汽缸和磨削力检测系统进行控制压力磨削，可以在一 个工序中完成硅片的延性域磨削和减小损伤层的磨抛( p o l i s h i n g l i k eg r i n d i n g ) j 1 i ，加工 3 0 0 r a m 硅片达到表面粗糙度r a l n m ，平面度 o 2 z m ，表面损伤层减小到o 1 0 1 跏m ， 能源消耗比传统工艺降低7 0 。日本t o k y o s e i r a i t s u 公司所研制的硅片抛磨机床( p o n s h g d n d e r s ) 基于硅片自旋转磨削原理，采用微粉金 刚石砂轮进行粗磨和精磨，同时增加一个采用 固结磨料抛光轮的抛光以去除磨削损伤层，可 以实现硅片的纳米和亚纳米级镜面加工，使表 面损伤层 o 1 “m 。利用该机床进行硅片的背面 磨削，可以快速减小硅片的厚度，为3 d 贴片等 一些特殊应用场合提供厚度仅为1 5 0 弘m 的薄硅 片，如图1 2 所示。 最近，英国c r a n f i e l d 大学与c r a n f i e l d 精 密工程有限公司联合，提出针对大直径硅片的 单工序加t ( s i n g l ep r o c e s s ) 技术，研制成功一种 新型的硅片超精密磨床。该磨床为敞开卧式结 构，砂轮主轴和工件回转轴均安装空气轴承， 采用静压空气导轨和微进给机构，具有磨削力 控制系统，并采取控温、隔振等措旄，可在一 个工序中以很高加工效率完成硅片的延性域纳 米磨削，获得很好的表面和亚表面完整性。据 称，用该磨床超精密磨削大直径硅片可以完全 代替传统工艺的研磨和腐蚀工序，甚至有望代 替抛光 j n s e 3 s , 3 9 1 。 图1 2 背面磨削后的镜面薄硅片 f i g 1 2m i r r o r - l i k et h i nw a f e r a f t e rb a c k 曲d i g 图1 - 3 集成化硅片超精密磨削设备 f i g 1 3i n t e g r a t e du l t r a - p r e c i s i o ng r i n d i n g m a c h i n ef o rs i l i c o nw a f e r 国外在集成化和自动化硅片超精密磨削设备的研究和应用方面取得很大进展。目 前，国外先进的硅片超精密磨削系统都是集磨削、清洗和干燥于体，并采用自动机械 大连理工大学硕士学位论文 手装卸硅片、自动检测硅片厚度、自适应控制磨削力以及自动进行不同进给运动，完成 从片盒到片盒( c a s s e t t et oc a s s e t t e ) 的全自动连续作业【4 。日本o k a m o t o 公司生产的v g 5 0 2 型硅片全自动超精密磨床和德国g & n 公司开发的m u l d n a n o 全自动系列纳米磨床，采用 自旋转磨削原理，装备两个砂轮主轴分别进行粗、精磨，具有三个( 或四个) 操作工位， 自动完成硅片的粗磨、精磨、清洗或装卸( 如图1 3 所示) 。用于3 0 0 m m 硅片的超精密磨 削可以获得纳米级的镜面，用于背面磨削可将硅片减薄n 1 0 0 1 5 毗。 可以看出，采用固着磨料磨具的延性域磨削技术，可以获得很高的加工精度和加工 效率+ ，将取代传统硅片加工工艺中的研磨和腐蚀工序，并大大减少最终抛光的加工时间。 但是，由于加工表面的损伤问题，目前还不可能完全取代抛光加工。各国学者通过提高 加工精度新的加工理论和工艺方法的研究以及商精度、高集成化、自动化的磨削装备的 开发，努力实现高效、低成本、低表面损伤加工。 1 2 2 国内研究概况 国内也开展了硅片超精密加工技术和理论的研究。燕山大学的于栋利教授采用配有 真空吸盘的硅片磨床( 精度1 m ) ，利用脉冲电源和铸铁短纤维结合剂微米粒度金刚石 砂轮，对f 7 6 r a m 的硅片进行在线电解修整( e l m ) 超精密磨削加工试验，研究了磨削工艺 参数对硅片表面粗糙度和表面平整度的影响，所加工硅片表面粗糙度达到r a 4 n m ，硅片 总体厚度变化t 1 v 为1 跏m i 9 1 。天津大学于思远教授和哈尔滨工业大学董申教授等分别 应用分子动力学进行了单晶硅超精密磨削加工机理研究和单点金刚石超精密加工单晶 硅的分子动力学仿真技术研究。重庆大学研究了采用阿基米德螺线式端面金刚石砂轮和 倒置式磨削方式加工半导体硅片的高效镜面磨削新方法【圳。这些研究为硅片超精密加工 理论和技术的进一步研究打下良好的基础。但国内以往的研究中所用硅片试件尺寸较 小，尚未开展基于自旋转磨削原理的大尺寸硅片超精密加工技术的系统研究。 国内( 指大陆，台湾除外) 具有生产单晶硅片的一些半导体材料企业，其中有研硅 股、浙大海纳、上海晶华电子材料有限公司、洛阳单晶硅有限责任公司、上海硅材料厂 等已经具备拉单晶、切片、研磨、腐蚀、抛光与清洗制程的能力1 4 “。有研硅股是目前大 陆唯一能生产8 英寸硅抛光片、6 英寸以上锗单晶以及3 英寸以上砷化镓、磷化镓材料等 产品的高技术企业。浙大海纳是大陆唯一既可以生产抛光片，又可以生产外延片的半导 体材料企业。上海晶华电子材料有限公司是目前上海地区最大的硅片生产企业，公司主 要产品为4 6 英寸抛光片和腐蚀片，硅片年生产能力达n l o o 吨，4 - 6 硅片的年生产能力 为3 6 0 万片，其中7 0 销往国外。洛阳单晶硅有限责任公司主要产品是4 英寸和5 英寸的 电路级抛光片，目前单晶硅年产量6 0 n g ，4 - 5 英寸抛光片为2 0 0 万片，年，其中5 0 以上销 唐克岩：硅片自旋转磨削面型仿真与实验研究 往国外，历年产量占全国的2 0 左右，为大陆规模最大的硅片专业生产厂。由此可见， 目前，国内生产企业虽然掌握了小尺寸硅片( 直径8 英寸以下) 的加工能力，但是尚不 掌握大尺寸硅片( 直径1 2 英寸以上) 的超精密加工技术，并且硅片的加工工艺均采用传 统的研磨、腐蚀工艺，而基于自旋转磨削原理的超精密磨削技术尚没有掌握。并且国内 半导体材料企业的半导体制造设备绝大部分是从国外直接进口的成套生产线。从而导致 了我国半导体设备市场成为进口成套设备占绝大部分市场份额的局面，从市场乃至技术 完全控制在旁人手中，甚至连最基本的零部件和消耗材料几乎都依赖进口。但是，发达 国家和跨国公司严格限制向我国出口直径3 0 0 r a m 以上最先进的硅片超精密加工技术和 设备。 大连理工大学现代制造技术研究所在超精密加工和特种加工理论与技术方向具有 坚实的研究基础、很强的技术力量和良好的研究条件，对单晶硅等硬脆材料的超精密加 工技术开展了大量的研究工作，并与美国康涅狄格大学、澳大利亚悉尼大学、澳大利亚 墨尔本大学、台湾大学以及台湾科技大学机械工程系建立密切的合作关系，已在硅片超 精密加工理论与技术研究方面开始进行学术交流和合作研究同。目前，已经完成硅片磨 削相关国家“8 6 3 计划”项目1 项，正在承担国家自然科学基金重大项目，对大尺寸硅片 超精密磨削加工技术正在开展系统研究。 1 3 硅片超精密磨削面型精度研究概况 随着i c i 1 造技术的飞速发展，为了适应半导体i c 产业发展的需要，硅片直径趋向于 大尺寸化，这就为硅片的超精密加工带来了很多问题，其中之一：如何保证加工后的硅 片具有较高的面型精度，以保证i c 芯片的出片率和降低制造成本。目前，超精密磨削是 大尺寸硅片重要的加工手段，与传统研磨工艺相比具有加工效率高、面型精度高、表面 损伤低、加工成本低、易于实现自动化控制以及环境污染少等显著特点，还可以大大减 小后续抛光工序的时间、降低成本等。 1 3 1 硅片面型研究概况 国外对半导体硅片的研究开展比较早，也取得了很多成功的经验和理论。美国堪萨 斯州大学( k a n s a ss t a t eu n i v e r s i t y ) 的z j p e i 1 0 】等学者建立模型分析得出相邻磨痕之间的 距离是由吸盘的转速和砂轮的转速决定的，随着转速的增加，磨痕间的距离也会增大， 从而会影响到硅片的面型精度；同时，转速对磨痕的曲率也有很大的影响，当转速增大 时，磨痕趋向于平直；而且随着硅片半径尺寸的增大，磨痕也趋向于平直，这些都对硅 片的表面平整度有着很大的影响。此外，z j p e i 1 5 】等学者对硅片自旋转磨削方法加工 过程中的加工工艺参数、砂轮粒度、冷却液供给等加工条件对磨削力、硅片面型精度、 大连理工大学硕士学位论文 表面粗糙度等的影响进行了试验研究，但试验因素仅仅采取高低两个水平值，不能得出 不同因素的影响规律。另外，s c h i d a m b a r a m 和z j p e i ”j 还建立了一个真空吸盘修整面 型模型并进行了二维计算机仿真，但是模型仅考虑了磨削砂轮与真空吸盘接触面上三点 相对高度值与修整面型之间的关系，修整面型模型中没有考虑磨削修整参数的影响。 其他一些学者对硅片面型精度也进行了一定的研究，日本的h o h m o r i 2 8 j 等学者将开 发的在线电解修锐0 j l i d ) 技术应用于硅片自旋转磨削工艺，采用铸铁纤维结合剂微粉金 刚石砂轮，进行恒压力切入进给磨削，通过对硅片材料延性模式去除机理和超精密磨削 关键技术的研究，获得表面粗糙度为纳米和亚纳米级的镜面，直径6 0 r a m 硅片的面型精 度达到矾陋6 3 2 8 n m ) ，由于实现了硅片的延性域磨削，亚表面损伤层深度 0 劬m ，只 有传统研磨硅片损伤层深度的1 3 1 1 0 。h k t o n s h o f 【7 】定性的给出了硅片自旋转磨削砂 轮轴线倾角与硅片面型之间的关系图。l i b oz h o u ”】和p e i l u mt s o 3 1 1 分别对硅片磨削的 面型进行了理论预测，但是均没有考虑真空吸盘影响。 我国半导体产业发展较晚，对半导体硅材料的研究也不系统。2 0 世纪8 0 年代后，我 国的半导体工业的生产得到了阶段性的发展。在国务院“电子计算机和大规模集成电路 领导小组”的领导下，制定了我国的集成电路的发展规划；1 9 9 0 年1 0 月在江苏无锡的江 南无线电器材厂( 华晶7 4 2 厂) 开始实施以6 英寸为主的i c 特征线宽0 m 的“9 0 8 ”集 成电路芯片生产线的项目建设工程；1 9 9 7 年7 月在上海华虹n e c 电子有限公司开始实旌 直径8 英寸的“9 0 9 ”超大规模集成电路芯片的生产线项目建设工程，并在1 9 9 9 年2 月， 其i c 特征尺寸线宽工艺从原计划要求的0 5 p m 提升n t o 3 5 t i n ：2 0 0 1 年2 月在北京有色金 属研究总院、半导体材料国家工程研究中心建成我国第一条满足超大规模集成电路特征 尺寸线宽0 3 5 k a n 一0 2 5 z m i c 用设计年产1 2 0 万片( 约0 6 亿平方英寸) 的“8 英寸硅单晶抛 光片高技术产业化示范工程”项目正式通线运行，于2 0 0 1 年1 0 月采用自主的工艺技术成 功地研制出国内第一批直径1 2 英寸直拉硅单晶抛光片。2 0 0 3 年后，承担了国家“8 6 3 ” 计划超大硅片集成电路配套材料重大专项中的为“满足线宽0 1 3 加1 0 9 m i c 用直径 3 0 0 m m 硅单晶、抛光、外延片”的科研、开发试验生产线的项目建设任务i 矧。从而使我 国的半导体、电子信息产业得到迅速发展。尽管如此，我国的半导体技术、电子信息技 术同国外发达国家相比，还存在着很大差距，尤其在硅片加工面型精度这一方面的研究 目前在国内几乎是一片空白。 总之，国内外学者对自旋转磨削加工大尺寸硅片时，磨削参数以及其他因素在不同 水平条件下对硅片的面型精度的影响规律还没有系统的研究。 唐克岩：硅片自旋转磨削面型仿真与实验研究 1 3 2 硅片面型精度研究方法的发展趋势 由于i c 制造技术的飞速发展，硅片直径的不断增大，而特征线宽尺寸不断减小，硅 片面型精度的要求越来越高，造成硅片超精密加工成片率低、加工成本高等一系列的问 题。目前，国内外大多学者都采用实验方法进行硅片面型精度的研究，但是直接实验方 法存在着很大的局限性，一方面硅片直径尺寸越来越大，硅片的成本也随之越来越高； 另一方面如果通过实验对硅片面型进行研究，通常需要大量的硅片进行大量的实验才能 够发现规律得出有指导意义的结论，否则得到的一些结果可能是比较片面的、不系统的、 很难为实际加工提供有用的参考。因此有必要先对硅片磨削面型进行理论研究，在比较 系统可靠的理论基础上，以理论来指导实验就会大大减少实验研究的次数，降低成本， 缩短时间，而且还容易发现规律而且对实际加工也有重要的指导意义。 进行理论研究就要选择合理的理论研究方法。随着电子计算机技术的发展，出现了 一种新的科学研究方法一计算机仿真( c o m p u t e rs i m u l a t i o n ) 方法，是指在电子计算机 上建立某一现存或虚拟系统的模型，对该系统的结构和行为进行动态仿真，从中得到研 究者所需要信息，并为决策过程提供依据的一种研究方法 4 3 。计算机仿真方法己被广泛 地应用在工程技术系统、社会经济系统、人口系统、人脑系统等众多的领域之中，计算 机仿真已发展成为一门新兴的学科，计算机仿真技术的地位日益提高。因此，根据硅片 加工过程中的一些重要的影响因素，应用计算机仿真方法对硅片超精密加工过程进行研 究是今后的发展方向，因为计算机可以将硅片实际的超精密加工过程理想化，避免了一 些试验过程因素的干扰，从而使复杂的问题简单化，但是进行计算机仿真的关键是必须 要针对实际系统建立一个正确的计算机仿真模型，这是进行计算机仿真最关键的一环， 也是仿真能否实现的先决条件，因此运用计算机仿真建立硅片磨削面型的模型，对硅 片面型进行计算机仿真，为实验提供必要的条件，这是研究面型精度的一个新的方法， 也是硅片面型精度研究的一个突破口。 1 4 本文研究的意义和主要内容 1 4 1 研究的意义 硅片磨削的面型精度是硅片加工质量的一个重要的指标，直接影响着硅片后续加工 的一系列问题，乃至i c 芯片的精度。对于硅片超精密磨削加工过程中面型的研究，国外 虽然进行的很早，但是研究不够系统，而国内在此方面也没有深入地进行研究。对硅片 面型精度进行计算机仿真，可以对硅片加工后的面型进行有效的预测，以便于检测其加 工后是否合格，并为硅片超精密磨削加工提供理论参考。为了解决硅片磨削加工过程中， 面型精度不宜保证这一难题，结合国家自然科学基金重大项目“先进电子制造技术中的 大连理工大学硕士学位论文 重要科学问题”的子课题“超精抛光中的纳米粒子行为和化学作用及平整化原理与技 术”( 资助项目编号：5 0 3 9 0 0 6 1 ) ，以目前应用比较广泛的1 5 0 r a m 硅片作为对象，通过 建立硅片磨削面型的模型，进行计算机仿真，并通过实验验证对硅片磨削面型进行研究。 这对提高硅片超精密磨削加工面型的精度，提高生产效率，降低生产成本，都具有重要 意义。 1 4 2 研究的主要内容 硅片的超精密磨削是一个复杂的机械加工系统，本文主要针对影响硅片超精密磨削 面型的多种因素进行研究，其主要内容包括： ( 1 ) 建立硅片磨削面型的模型 通过对硅片自旋转磨削面型控制的原理，根据硅片超精密磨削加工工艺参数以及综 合考虑硅片夹持系统中真空吸盘的修整参数等多种因素，建立了一种基于旋转坐标原理 的硅片自旋转磨削的面型模型，给出硅片面型的数学表达式，并根据该模型推导出硅片 总厚度变化c n v ) 的计算公式。 ( 2 ) 开发计算机仿真软件及分析仿真结果 根据所建立的硅片磨削面型的模型，在w i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 操作系统平台上， 以v i s u a lc + + 6 0 为开发工具，结合o p e n o l 开放式图形库，开发计算机仿真软件。主要 包括真空吸盘修整面型仿真模块、硅片磨削面型仿真等功能模块，实现了硅片磨削面型 的三维仿真、2 d 3 d 的互换、总体厚度变化的计算与输出等功能，建立人机交互 界面，输入输出对话框等。通过对所建模型进行计算机仿真，可以得到影响硅片面型的 主要参数对硅片面型的具体影响关系。 ( 3 ) 进行硅片面型的实验验证 根据计算机仿真得出主要磨削工艺参数及其他因素对硅片面型的影咿隋况，然后以 日本v g 4 0 1 m k i i 型超精密磨床为试验平台，以直径1 5 0 m m 硅片为实验对象，对硅片磨 削面型模型进行实验验证，并将实验硅片面型检测结果与仿真预测结果进行对比分析， 以说明所建立的硅片面型模型的准确性，这对有效控制硅片磨削面型及合理选择工艺参 数提供了依据。 唐克岩：硅片白旋转磨削面型仿真与实验研究 2 硅片质量参数与面型控制原理 2 1 硅片几何参数介绍 当前半导体硅材料工业发展的特点是生产集中，规模大，工艺和设备不断更新；生 产大容量化，大直径化和控制自动化；产量越来越大，质量越来越高，成本越来越低。 m o s 电路用外延片的生产得到了更快的发展。提高器件质量，根本上取决于器件所用硅 片质量的改进。高质量的硅材料能明显提高产品成品率和降低成本。更重要的是新的器 件设计和工艺技术要求高质量的硅片来满足其性能要求。除了对材料电学性能、结构缺 陷、氧含量、热稳定性等要求之外，对硅片的几何尺寸参数也提出了越来越高的要求， 并且由于特征尺寸的减小，对硅片表面平整度提出了更高的要求。 硅片的各项质量特性参数可以说是互相关联的，它是一项综合影响的技术，质量特 征指标，它直接反映出硅片的内在和表面加工质量。为保证在i c 帛, j 造工艺过程中各层图 形之间的吻合；硅片的定位应绝对可靠，这样就对直径公差、定位面的长度和直线性公 差也相应提出更严格的要求。现在绝大多数的硅片产品规格都己标准化。早在1 9 7 3 年， 美国半导体工业方面的组织侣e m i ) 和一些公司已开始致力于建立硅片的工业标准。1 9 7 7 g a s t m 颁布“硅单晶抛光片的标准规范”，现在已经成为世界范围的工业标准m 】。 通常控制硅片质量的主要特征参数包括表征硅片a n t 前的内在质量的特征参数和 表征硅片加工后的几何尺寸精度的特性参数，例如硅片的结晶学参数、电学参数、机械 几何参数和表面粗糙度及表面金属离子沾污、含量等。 2 1 1 表征硅片加工前的内在质量的特性参数 表征硅片加工前的内在质量参数如下： 硅片的结晶学参数主要有：氧及碳的含量、晶向以及各种缺陷( 位错、氧化诱 生堆垛层错、晶体的原生缺陷c o p 缺陷等) 。虽然各种缺陷主要决定于晶 体生长本身的结晶完整性，但有些也是与其加工有关的。硅片在不同加工工序 过程中，可重新引入相关的微缺陷。 硅片的电学参数主要指：导电型号、电阻率、电阻率均匀性、寿命等。这些参 数在一定条件下，主要取决于晶体生长的质量。硅片加工过程中一般无法改变 它本身的电学参数。 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 表征硅片加工后的几何尺寸精度的特性参数 硅片表面的机械几何加工尺寸参数和表面状态质量参数等决定于硅片的加工工艺、 技术水平。 硅片的机械几何尺寸参数主要指：直径f 、厚度t 、主参考平面、次参考平面、 总体厚度偏差n v 、弯曲度b o w 、翘曲度w a r p 、平整度t i r 及局部平整度s f q r 、 粗糙度r a 等。 表面状态质量参数主要包括：表面颗粒含量、表面金属杂质含量、表面纳米形貌 n a n o t o p o g r a p h y ( n a om a p p e r ) 等。 2 1 3 硅片质量控制主要术语 硅半导体材料术语详细参照国家标准g b t 1 4 2 6 4 9 3 规定的定义和解释。在硅片加工 过程中，质量控制的几个主要有关专用技术术语解释如下： 硅片直径f 和硅片厚度h i ( ，为了满足集成电路的工艺要求，表征硅片加工后的 几何尺寸精度最基本的特性参数是硅片的直径和硅片厚度及其厚度允许偏差，如图2 1 所示。 a 直径是指通过硅片表面 中心，排除参考面或圆周上其它 基准几何形状的直