半导体材料硅片的磨削方法及装置

半导体材料硅片的磨削方法及装置 3侯江华(河南机电高等专科学校 教务处 ,河南 新乡 453002 )摘要 : 硅片是半导体器材的主要元件 ,在印刷集成电路及微型集成仪表中有着广泛应用 。文章在分析物理 - 化学加工硅片方法存在的问题的基础上 ,讨论了磨料悬浮磨削及粘接磨料磨削硅片的方法 ,以及两种磨削采用的装置及其主要运动参数选择和达到的质量指标 。关键词 :硅片 ;悬浮磨削 ;粘接磨削中图分类号 : T H162 文献标识码 :A 文章编号 :1008 22093 (2006 ) 0420009202目前微电子技术正向着增加单晶体 、 印刷电路硅片元件集成度的方向发展 。这是一种物理的集成 ,即连接大量的小尺寸的元件 。完善集成微型仪表对于有稳定质量的小尺寸加工提出了严格要求 ,以保证仪表功能的可靠性 。由于制备印刷电路板时产生的缺陷 ,对电路板加工精度提出非常高的要求 ,特别是某些工艺过程和实现方法 。因此研究硅片有重要的现实意义 。1 物理 - 化学加工方法对半导体传感器基本元件要求之一是元件的灵敏性 ,即半导体晶体元件灵敏性 。所使用的晶体主要是单晶体硅片 ,过去采用机械 、 化学联合加工 [ 1] 。加工得到几何上 、 化学上和晶体上完善的硅片 ,即可得到高质量的结晶硅片 。漫射二维工艺和腐蚀法仿形工艺对抛光硅层提出了如下质量要求 :1) 硅层应当是单晶体片无表面损伤层 ,单晶体结构缺陷引起错位层缺陷或排列缺陷 ,局部地加速混合物 (杂质 ) 渗出过程 。这些缺陷的存在恶化了仪表指标参数 ,导致增大通过 p - n 泄漏电流 。2) 硅片表面粗糙度应不大于 RZ = 0. 05μ m～0. 025μ m。 这个要求以光触法过程必要精度作为条件 ,氧化物表面上存在的粗糙度导致光阻材料薄层厚度不均性 ,曝 (感 ) 光后侵蚀范围图畸形 ,在成形片上存在着较深的侵蚀谷 。3) 硅片的平面度应当不大于 3μ m ,要满足这个要求应保证晶体上成形片厚度一样 。4) 硅片直径偏差值应当不大于 ± 0. 5mm ,这个要求引起扩散氧化时应用气运输反作用力的特点 。在所有情况下 ,气体在薄片周围有层流流动 。因此空气动力反作用参数和底板应严格确定 。现在物理 - 化学加工还不能达到要求的精度 。硅片最经济加工工艺流程为 :测量硅结晶块 、 切除基础薄片 、 薄片定向切开 、 化学加工 、 磨削 、 化学动力抛光 、 双边金刚石抛光 [ 2 ] 、 化学机械抛光 、 清洗和控制薄片 。目前机械加工中最重要的工序之一是磨削 。2 磨料悬浮磨削2. 1 双面磨削切制工序不能保证要求的精度和硅片的表面质量 ,所得到的硅片有各种不同的形状误差 ,例如 ,平面度误差 、 平行度误差 、 球形误差 、 破坏层深度误差和厚度误差等 。 为了改善表面质量和提高精度 ,必须采用精加工磨削工序 。 根据使用磨料的特性 ,分为磨料悬浮磨削和磨料磨具磨削 [ 2 ] 。这两种磨削方案中 ,前者应是比较好的 ,如图 1 所示 ,即生产率高 ,硅片质量好 。 硅片 5 放在制成外齿圈薄板形式的分离器 4 中 。分离器的齿与小齿轮 3 和 6 进入啮合时 ,小齿轮旋转 ,经过啮合使分离器旋转 ,同时分离器绕研磨工具 2和 7 轴线运动 。分离器孔的中心与分离器本身中心不重合 ,因此在分离器旋转时 ,硅片完成绕分离器中心的附加运动 ,有助于硅片加工均匀和研磨工具均匀磨损 ,下研磨工具 7 固定在机床床身上 ,上研磨工具 2无约束地安装在被加工硅片上 ,研磨工具供应有冷却系统控制温度 ,研磨工具由足够硬的钢或铸铁制造 。2. 2 单面磨削单面磨削时用陶瓷黏结剂金刚石夹层铝基的砂轮 。 磨削应用的实现如图 2 所示 。被加工硅片 2 借助蜡固结在以角速度 ω 旋转的工具头 3 上 ,同时工具头 3 与拖架一起完成往复运动 ,由于螺杆传动以速度9第 14 卷 第 4 期2006 年 07 月河南机电高等专科学校学报Journal of Henan Mechanical and Electrical Engineering CollegeVol. 14 № . 4J uly. 20063收稿日期 :2006203210作者简介 :侯江华 (19782) ,女 , 河南安阳人 ,研究方向 :磨削加工。V 沿着磨料材料 1 运动 ,材料 1 固定在装置下端 。正确选择速度比值 ω / V ,加工硅片可得到高的尺寸精度(3μ m) 和表面质量 ( Ra ≤ 0. 01) 。该磨削图的优点是降低了装置外形尺寸 ,扩大了安装范围 。图 1 双边用磨料悬浮磨削1. 冷却系统 ;2. 下研磨工具 ;3 ,6. 内外小齿轮 ;4. 分离器 ;5. 硅片图 2 悬浮磨料单面磨削1. 磨料材料 ;2. 被加工硅片 ;3. 工具头 ;4. 螺杆传动 ;5. 螺旋转动3 粘接磨料磨削加工用量需根据表面质量要求来确定 。磨削用量的主要参数是砂轮对硅片的单位压力 0. 8 兆帕～ 1. 2兆帕 。 研磨工具的转速为 30 转 / 分～ 60 转 / 分 。黏结性磨料 [ 3 ] (图 3) 磨削时采用金刚石轮加工硅片表面 ,由于加工过程中生产率高 ,它是生产中广泛应用的方法 。 主要是应用立式机床磨削 。硅片粘在或真空吸在磨床的花盘上固定 ,花盘以角速度 ω n 旋转 。花盘的轴偏心地布置在具有角速度 ω m 的金刚石工具旋转轴上 。 花盘和工具的旋转轴线应当严格平行 ,而旋转工具实现硅片的端面磨削 。磨削时伴随硅片变形和大量热 ,冷却液 (水 ) 落入磨削孔热区 。图 3 黏结磨料单面磨削1. 金刚石轮 ;2. 半导体硅片 ;3. 工作台黏结磨料加工硅片的加工精度与工具和花盘主轴轴线平行度以及制造花盘的精度有关 。花盘的平面度误差不超过 3μ m ,生产率 、 粗糙度 、 硅片破坏层深度与磨削用量有关 ,即与金刚石工具的进给量和速度有关 [ 3 ] 。 垂直进给依靠单独机构和主轴固有的重量强制地实现 。随着切削速度的提高 ,生产率增大 ,表面粗糙度等级提高 ,破坏层深度降低 。为了得到高精度和小粗糙度的硅片 ,重要的是正确选择速度 Wi /Wm 比值 。 (责任编辑 吕春红 )参考文献 :[ 1 ] 赵万生 . 特种加工技术 [ M ]. 北京 :高等教育出版社 ,2001.[ 2 ] 庞涛等 . 超精密加工技术 [ M ]. 北京 :国防工业出版社 ,2000.[ 3 ] 张绍平 . 实现精密磨削的必要措施 [J ]. 精密制造与自动化 , 2003 ,(1) .Wasting Paring Method and Device of Semiconductor Material Silicon ChipHOU Jiang 2hua(academic affair office ,Henan mechanical and electrical engineering college ,Xinxiang 453002 ,China)Abstract : The silicon chip is a main component of the semiconductor apparat us ; there is extensive appli 2cation in printing the integrated circuit and miniat ure integrated instrument. Analyzing Physics_ Chemicalmilting silicon chip method at t he fo undation of existing problem , get out of abradant suspends and rubssharpening and sticking abradant rub t he method to sharpen silicon chip , two kinds of discussions rub quali 2ty index of paring t he device adopted and main movement parameter and choosing and reaching.Key words : silicon chip ;abradent suspends;rubs sharpening01河南机电高等专科学校学报 2006 年 4 期