砂輪參數(shù)對(duì)SiC減薄工藝的影響

實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)備。本實(shí)驗(yàn)采用in-feed磨削原 理的減薄機(jī)進(jìn)行工藝，晶圓減薄過(guò)程如圖1所示。晶圓由真空吸盤帶著自轉(zhuǎn)，砂輪由減薄機(jī)主軸帶 動(dòng)反方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以一定速率向下進(jìn)給，利用 砂輪的鋒利度對(duì)晶圓進(jìn)行磨削加工。該方法加工 過(guò)程中，砂輪只與晶圓的1/4區(qū)域接觸，保證了減 薄過(guò)程中砂輪負(fù)載不受晶圓面積變化的影響。

實(shí)驗(yàn)所采用的設(shè)備如圖2所示，主軸最大轉(zhuǎn)速2 800rpm,主軸進(jìn)給精度為0.1μm，最小進(jìn)給速度 為0.1μm/s，真空吸盤最大轉(zhuǎn)速300rpm。加工過(guò)程 中，冷卻水會(huì)對(duì)主軸、砂輪、晶圓進(jìn)行冷卻，并對(duì) 晶圓表面進(jìn)行清洗，避免減薄過(guò)程產(chǎn)生的熱量以及 磨削的碎屑對(duì)工藝造成影響。設(shè)備具有自動(dòng)在線測(cè) 厚功能，可以邊加工邊測(cè)量晶圓厚度。同時(shí)根據(jù)加 工量和主軸下降位置，計(jì)算出砂輪的損耗量。設(shè)備 自帶負(fù)載實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，可以顯示加工過(guò)程中的主 軸負(fù)載電流值，從而判斷樣品減薄過(guò)程中砂輪去除 樣品的能力。負(fù)載值設(shè)置報(bào)警卡控線，超過(guò)卡控值 會(huì)報(bào)警，自動(dòng)停止工藝。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程。選用直徑為150mm的SiC樣品進(jìn)行減 薄工藝，樣品厚度為360±30μm。選取不同加工參 數(shù)的砂輪對(duì)樣品進(jìn)行減薄，對(duì)比砂輪參數(shù)對(duì)減薄效 果的影響。根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)選擇并優(yōu)化工藝參數(shù)，對(duì) 比相同砂輪不同工藝參數(shù)對(duì)減薄的影響。

工藝步驟如下：（1）貼膜→測(cè)量樣品厚度→ 工藝加工→量測(cè)厚度、測(cè)量粗糙度、記錄砂輪損耗 值。（2）工藝加工過(guò)程中，實(shí)時(shí)觀察主軸負(fù)載電流 值，根據(jù)主軸負(fù)載電流值優(yōu)化工藝參數(shù)。

不同參數(shù)砂輪的加工效果及工藝參數(shù)優(yōu)化。根 據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，選擇初始減薄工藝參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速   2 000rpm，真空吸盤轉(zhuǎn)速277rpm，進(jìn)給速率0.2μm/ s。工藝過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際工藝情況調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速和 進(jìn)給速率。主軸負(fù)載電流卡控值為45mA。

1#樣品：砂輪使用傳統(tǒng)金屬結(jié)合劑，粒度 2000#，無(wú)人造孔隙，燒結(jié)溫度500℃。采用經(jīng)驗(yàn) 工藝參數(shù)進(jìn)行減薄加工，砂輪與晶圓接觸后負(fù)載電 流持續(xù)增加，10s鐘內(nèi)主軸負(fù)載電流超過(guò)報(bào)警值， 暫停工藝。取下晶圓檢查外觀和測(cè)試厚度。晶圓 表面有劃痕，厚度幾乎無(wú)變化。提高砂輪轉(zhuǎn)速到 2500rpm,減薄進(jìn)給速率降至0.1μm/s，重新進(jìn)行 工藝加工，現(xiàn)象與上述相同。判斷該砂輪無(wú)法減薄 SiC晶圓。

2#樣品：砂輪使用傳統(tǒng)金屬結(jié)合劑，粒度 2000#，無(wú)人造孔隙，燒結(jié)溫度500℃。在1#砂輪 基礎(chǔ)上，加入一定比例脆性填料，如玻璃，氧化鋁 等。采用經(jīng)驗(yàn)工藝參數(shù)進(jìn)行減薄加工，砂輪與晶圓 接觸后負(fù)載電流變大，4min后主軸負(fù)載電流超過(guò) 報(bào)警值，暫停工藝，取下晶圓檢查外觀和測(cè)試厚 度。晶圓表面有劃痕，厚度降低45μm。根據(jù)設(shè)備 補(bǔ)償值計(jì)算，砂輪損耗3μm。提高砂輪轉(zhuǎn)速到2 500   rpm,減薄進(jìn)給速率降至0.1μm/s，重新進(jìn)行工藝加 工，砂輪主軸負(fù)載電流在10s內(nèi)超過(guò)報(bào)警值。判斷 該砂輪無(wú)法減薄SiC晶圓。相對(duì)于1#砂輪，2#砂輪 略有改善。經(jīng)過(guò)判斷，認(rèn)為鋒利度不夠可能是無(wú)法 減薄的主要原因，為3#砂輪的研制提供了思路。

3#樣品：砂輪使用超細(xì)脆性金屬結(jié)合劑，粒度 2000#，人造孔隙率60%以上，孔徑120μm左右，燒 結(jié)溫度500℃。采用經(jīng)驗(yàn)工藝參數(shù)進(jìn)行減薄加工， 加工一段時(shí)間后砂輪電流報(bào)警。加大主軸轉(zhuǎn)速到 2500rpm進(jìn)行工藝，主軸電流無(wú)報(bào)警，電流值波動(dòng) 大，如圖3所示。設(shè)置減薄100μm，實(shí)際減薄90μm   SiC晶圓，砂輪損耗50μm。損耗比（砂輪損耗：晶 圓去除量）1:1.8，無(wú)法滿足低成本生產(chǎn)要求。通 過(guò)該樣品得出，砂輪是否可以減薄SiC，主要與人 造孔隙率相關(guān)。提高減薄轉(zhuǎn)速砂輪可以減薄晶圓， 驗(yàn)證砂輪的鋒利度，這是SiC減薄的關(guān)鍵因素。

4#樣品：基于3#樣品結(jié)果，砂輪使用超細(xì)脆 性金屬結(jié)合劑，粒度2000#，人造孔隙率降低5%， 孔徑70μm左右，燒結(jié)溫度降低20%，燒結(jié)壓力增 加50%。采用經(jīng)驗(yàn)工藝參數(shù)進(jìn)行減薄加工，砂輪電 流無(wú)報(bào)警，電流值波動(dòng)穩(wěn)定，如圖4所示。設(shè)置減 薄100μm，實(shí)際減薄98μm，砂輪損耗5μm，損耗 比接近1:20。在此基礎(chǔ)上，提高砂輪轉(zhuǎn)速到2 500   rpm,砂輪進(jìn)給速率0.5μm/s，主軸電流變大，有 安全隱患。降低進(jìn)給速率到0.3μm/s，主軸電流穩(wěn) 定。經(jīng)過(guò)100片次晶圓減薄驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)砂輪偶有打滑現(xiàn)象，晶圓表面偶爾出現(xiàn)表面紋路過(guò)深，甚至 晶圓破損。

5#樣品：為了改善砂輪打滑，提高減薄穩(wěn)定 性和減薄工藝質(zhì)量，降低晶圓破損率，在4#樣品基 礎(chǔ)上進(jìn)行砂輪改善。采用4#工藝，燒結(jié)壓力較4#樣 品降低10%。采用工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速2 500rpm， 進(jìn)給速率0.3μm/s。砂輪電流無(wú)報(bào)警，電流值波 動(dòng)穩(wěn)定性提高，如圖5所示。設(shè)置減薄100μm，實(shí)際減薄 98μm，砂輪損耗8μm，損耗 比接近1:13。長(zhǎng)期使用砂輪 穩(wěn)定性好，晶圓無(wú)破損，表面 紋路及粗糙度均滿足要求。

結(jié)果分析。通過(guò)上述5個(gè)樣品砂輪進(jìn)行減薄工 藝，可以得出在砂輪金剛石目數(shù)（2000#）相同的 情況下，決定砂輪是否可以減薄SiC的關(guān)鍵因素是 鋒利度，而鋒利度與孔隙率密切相關(guān)。這是由于 SiC硬度大，在減薄過(guò)程中，金剛石鋒利度逐漸降 低，砂輪脫落不及時(shí)會(huì)造成新的金剛石無(wú)法露出表 面，造成無(wú)法去除SiC，同時(shí)主軸負(fù)載增加過(guò)大。

實(shí)驗(yàn)中還得出，砂輪壽命和穩(wěn)定性是一對(duì)矛盾 的因素。提高砂輪壽命，就要降低孔隙率，同時(shí)減 薄過(guò)程會(huì)出現(xiàn)打滑、減薄后晶圓表面質(zhì)量差甚至碎 片的可能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，降低燒結(jié)壓力可以在保 證減薄工藝穩(wěn)定的情況下，略微降低砂輪壽命。比 起調(diào)節(jié)孔隙率，降低燒結(jié)壓力更加容易實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn) 中發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)溫度提高會(huì)降低砂輪的鋒利度，降低 燒結(jié)溫度有利于提高減薄工藝的穩(wěn)定性。

在SiC減薄工藝中，主軸減薄轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速率 對(duì)于去除速率和減薄質(zhì)量有著一定影響。砂輪參數(shù) 對(duì)于SiC減薄的有著決定性的影響。采用砂輪工藝 需要平衡砂輪鋒利度（穩(wěn)定性）和壽命的關(guān)系，合 適的砂輪孔隙率和燒結(jié)工藝決定了砂輪是否可以有 效去除SiC、減薄時(shí)砂輪的損耗和穩(wěn)定性。對(duì)于不 同能力的機(jī)臺(tái)，可以根據(jù)機(jī)臺(tái)主軸功率、最大轉(zhuǎn)速 和進(jìn)給速率，選擇合適的砂輪來(lái)兼顧生產(chǎn)效率、生 產(chǎn)質(zhì)量和砂輪損耗。采用砂輪工藝進(jìn)行SiC減薄， 控制砂輪穩(wěn)定性和提高砂輪壽命是一對(duì)矛盾的關(guān) 系，為了開(kāi)發(fā)某款型號(hào)設(shè)備的減薄砂輪，需要根據(jù) 設(shè)備能力和工藝參數(shù)，進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)來(lái)平衡穩(wěn) 定性和壽命的問(wèn)題。