硅片双面研磨加工技术研究的重要指导意义

      摘要：介绍了硅片双面研磨的目的，***分析了不同工艺参数对硅片研磨速率及表面质量的影响。通过不同粒径磨料的对比试验，得出减小磨料粒径能够有效改善硅片表面质量，减小损伤层深度，为后道抛光工序去除量的减少提供了条件，并且对实际生产工艺具有指导意义。同时分析了助磨剂在提高硅片表面质量中的作用。

      硅片研磨的目的是为了消除硅片在单晶切割工序中产生的锯痕、损伤层，改善硅片形状精度等。由于目前的单晶切割工艺多采用线切割，在大幅提升生产效率的同时，线切割工艺会使切片表面会留有锯痕，同时产生深度约20-50μm的双面表面损伤层，这就需要对硅片进行双面研磨，即采用双面研磨工艺，以改善硅片的形状精度3。

      1、研磨的工艺过程

      采用双面研磨机对硅片进行双面研磨加工时，首先利用游轮片将硅片置于双面研磨机中的上下磨盘之间，然后加入相宜的液体研磨料，使硅片随着磨盘作相对的行星运动。经过磨盘与工件之间的相对运动，结合两运动表面之间的研磨液的作用，便形成了工件的新表面。由于磨料的运动是无规则的、随机的，所以避免了有一定方向性的加工痕迹，使硅片表面均匀的研磨。目前国内200mm以下硅片双面研磨工艺设备普遍采用兰州瑞德设备制造有限公司的20B（X611355B-1型研磨机）等系列研磨机，该设备采用3个异步电机拖动，变频器调速，通过可编程序控制器PLC及人机界面控制，压力通过电气比例阀与拉力传感器进行闭环控制，设备内置12套工艺参数（每套可扩展为12步工艺参数——压力、速度、时间等的编辑），并可配置目前任意一款在线厚度动态控制仪，极大地满足了当代200mm以下硅片双面研磨工艺的要求。

      2、磨盘和磨料的选用

      双面研磨工艺中通常选用较硬的磨盘，可避免由于磨料的瞬时镶嵌所造成的硅片表面出现划道或破碎的问题。在硅片研磨中，我们使用的磨盘分为两种，分别是球墨铸铁和灰铁，在使用粒径较大的磨料时，球墨铸铁和灰铁都能满足工艺要求，但如果使用的磨料粒径较小时，对磨盘的要求就比较严格，选用球铁磨盘，并且要求磨盘铸造均匀，不存在硬点，从而避免划伤。

      双面研磨工艺中通常选用的磨料为Al2O3、SiC或Al2O3和ZrO3的混合物，磨料粒度为5~100μm。对于单级研磨通常选用的磨料粒度为12~20μm。在研磨过程中，较小的粒子不会起到研磨作用，因此磨料在使用前需要进行水选，以保证磨料的均匀。

      3、各工艺参数在双面研磨工艺中对去除速率及硅片表面质量的影响

      在Al2O3研磨实验中，提高研磨转速、增加压力和使用粒度较大的磨料都能提高研磨速率，在研磨转速15r/min的情况下，TWA20的粗Al2O3磨料（平均粒度为17μm）的研磨速率是TWA12的细Al2O3磨料（平均粒度为8.5μm）的一倍；若同样采用TWA12细Al2O3磨料，压力增加一倍时，研磨速率由3μm/min增长到6μm/min，研磨速率增加了1倍。

      在其它工艺条件不变的情况下，硅片表面质量几乎与压力无关，对TWA12与TWA20磨料实验所得Rz（硅片粗糙度）分别为0.20与0.38μm；损伤层深度亦是如此，使用TWA12磨料，速度15r/min，压强在5×103~8×103Pa之间进行研磨产生的平均***层深度为（Hd）=10~12.5μm，在其它条件不变的情况下，使用TWA20磨料研磨，其***层深度增加了约l倍。因此，使用较细磨料，适当地控制研磨压力，以较高的速度进行研磨不但可获得较好的表面光洁度，同时可省去从粗磨到精磨的过渡工序1。

       我们在相同的工艺条件下使用不同粒径的磨料研磨两盘硅片，研磨工艺条件，磨料粒径分别是TWA20（17μm）和TWA12（8.5μm）。

       研磨后把清洗完的硅片在显微镜下拍下图片发现用17μm粒径磨料研磨的硅片，硅片表面损伤大，裂纹粗，用8.5μm粒径磨料研磨的硅片表面损伤小，裂纹细小，将两盘片子经化学腐蚀，然后分别进行双面抛光。我们发现，用8.5μm粒径磨料研磨的硅片与用17μm粒径磨料研磨的硅片相比，单面可以少抛光10μm就能达到合格片标准。

       可以看出，磨料的粒径小，损伤小，抛光的去除量也少。当然，磨料的粒径越细，对设备和环境要求就越高，对工艺控制也要求越严格。

       4、助磨剂在研磨工序的应用

       双面研磨工艺中，减少损伤，除了降低磨料的粒径外，还可以在磨料中加入助磨剂，助磨剂由多种成分组成，主要包括：有机碱、表面活性剂和鳌合剂。在双面研磨工艺中，助磨剂的使用不但可以改进浆液的物理化学特性，提高浆液的润滑性及散热能力，同时可使磨料在研磨时均匀分散在硅片表面，缓和剧烈的机械作用。其中有机碱的加入可以防止引入杂质金属离子给以后器件造成的致命伤害。

       5、结论

       在研磨工序中，双面研磨工艺可以有效改善硅片的几何参数。磨料的粒径大小不但对研磨片表面质量的影响较大，并且可以影响抛光的去除量，使用较小粒径的磨料可以大大减少抛光的去除量。

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