单晶硅片超精密磨削加工表面层损伤的研究共3篇

光电子材料磨粒加工技术综述毕佳;郑萌萌【摘要】以石英晶体、单晶硅、钽酸锂、铌酸锂、陶瓷、红蓝宝石等为代表的光电子材料在光电子元件中的应用越来越广泛.本文从线锯切、磨削两个方面详细阐述了光电子材料的磨粒加工技术原理、影响因素及优缺点,并对光电子材料磨粒加工技术发展趋势进行了展望,为下一步研究提出了需要重点关注的领域.【期刊名称】《北京印刷学院学报》【年(卷),期】2018(026)003【总页数】3页(P66-68)【关键词】光电子材料;磨粒加工;线锯切;磨削【作者】毕佳;郑萌萌【作者单位】烟台职业学院,烟台 264000;曲阜师范大学,曲阜 273165【正文语种】中文【中图分类】TG58一、概述20世纪后期，由光学和电子学结合而形成的新型技术——光电子技术快速发展，并广泛应用于光电显示、光电通信、光电存储、光电转化和光电照明等。

近年来，随着电子信息、通讯、自动控制产业的快速发展，各种光电子元件越来越呈现出高性能化的发展趋势。

以石英晶体、单晶硅、钽酸锂、铌酸锂、陶瓷、红蓝宝石等为代表的光电子材料在光电子元件中的应用越来越广泛[1]。

根据光电子元件材料的特性，将其分为：硬脆性材料。

硬脆性材料具有“两高一大一易”特点，即熔点高、硬度高（莫氏＞6.5）、脆性大、易开裂，硬脆性材料的韧性和强度与金属材料有着较大差别，超精密加工难度大。

硬脆性材料代表有石英晶体、工程陶瓷、光学玻璃、单晶硅片、蓝红宝石等。

软脆性材料。

软脆性材料在光纤通讯领域应用，具有传输损耗小、色散小；应用于光电池领域，具有光电转换效率高、抗辐射性能好、变化小等优势。

软脆性材料物理特性表现为又脆又软，以铌酸锂和钽酸锂晶片为代表，硬度普遍较低（莫氏＜6，如砷化镓单晶片莫氏硬度为4.5，磷化铟单晶片莫氏硬度为3），此外，软脆性材料还具有易开裂、易出划痕、韧性高等特点。

从表一光电子材料的物理特性来看，与普通金属材料使用其物理机械性能不同的是，其更加注重材料的光电、压电和热电性能，以光电子材料制成元件的成品对光电子材料要求更加注重：1）精度更高。

《单晶硅各向异性超精密切削仿真与实验研究》篇一一、引言随着科技的发展，单晶硅作为现代电子器件和集成电路的核心材料，其加工精度和表面质量对于提高产品性能和延长使用寿命至关重要。

因此，对于单晶硅各向异性超精密切削技术的研究具有重大的意义。

该研究主要探讨仿真与实验两种方式对单晶硅材料切削加工的影响，以进一步优化切削工艺，提高产品质量。

二、单晶硅各向异性切削仿真研究1. 仿真模型建立在仿真研究中，首先需要建立单晶硅材料的切削仿真模型。

该模型应考虑到单晶硅的各向异性特性，包括材料的硬度、弹性模量、热导率等物理参数的差异。

同时，还需考虑切削过程中的热力耦合效应、刀具与材料的相互作用等因素。

2. 仿真结果分析通过仿真模型，我们可以得到单晶硅在切削过程中的应力分布、切削力变化、切削温度等关键参数的变化规律。

这些数据对于分析切削过程、优化切削工艺具有重要意义。

此外，仿真还可以预测不同切削条件下的材料去除率和表面质量，为实验研究提供指导。

三、单晶硅各向异性超精密切削实验研究1. 实验设备与材料实验需要使用高精度的切削设备、刀具和单晶硅材料。

刀具的选择应考虑到其硬度、耐磨性、热稳定性等特性，以适应单晶硅的切削需求。

同时，为了确保实验数据的可靠性，需要使用高质量的单晶硅材料。

2. 实验方法与步骤在实验过程中，首先需要设定不同的切削条件，如切削速度、进给量、切削深度等。

然后，在相同的条件下进行多次切削实验，以获取稳定可靠的实验数据。

在切削过程中，需要实时监测切削力、切削温度等关键参数的变化。

此外，还需要对切削后的工件进行表面质量检测，如粗糙度、亚表面损伤等。

3. 实验结果分析通过对实验数据的分析，可以得出不同切削条件对单晶硅材料去除率和表面质量的影响规律。

同时，将实验结果与仿真结果进行对比，验证仿真的准确性。

此外，还可以通过分析亚表面损伤等数据，评估切削过程中材料的力学性能和热学性能的变化。

四、仿真与实验结果对比与分析通过对比仿真与实验结果，可以发现两者在单晶硅各向异性超精密切削过程中具有一定的相关性。

单晶硅磨削加工后的表面损伤研究刘洋【摘要】为了了解硅片在磨削过程中的去除机理,采用显微光谱仪来探查磨削后表面的相变情况.结果可以发现精磨削后硅片表面存在-Si相、Si-相、Si-相和Si-相,这表明磨削过程中Si-相发生了高压相变,Si-相在磨削过程中容易以塑性方式去除.而粗磨硅片表面没有生成明显的多晶硅,只有少量硅以非晶形式出现,并在后续精磨过程中逐渐转变.由此可以看出粗磨硅片表面层损伤由大量的形状复杂的微裂纹、高密度位错、层错及弹性畸变层组成,其中以微裂纹、位错及层错为主 .【期刊名称】《电子工业专用设备》【年(卷),期】2015(044)010【总页数】4页(P31-34)【关键词】单晶硅;磨削加工;表面损伤【作者】刘洋【作者单位】中国电子科技集团公司第四十六研究所,天津300000【正文语种】中文【中图分类】TN305.2随着便携式电子产品的飞速发展，在硅片趋向大直径化的同时，对芯片的厚度也要求越来越薄，并且需要对单晶半导体硅片的背面进行减薄加工。

集成电路（IC）是现代信息产业和信息社会的基础。

作为IC发展的基础和半导体芯片的理想衬底材料，硅片的表面质量直接影响着IC器件的性能、成品率以及寿命。

随着硅片直径的增大和器件尺寸的减小，对硅片表面加工质量的要求日益增高，不仅要求极高的平面度，极小的粗糙度，而且要求表面无变质层、无划伤。

目前，固结磨料的超精密磨削技术是加工大尺寸硅片的主要方法，但传统的磨削技术会对硅片表面带来一定程度的损伤，进而影响后道化学腐蚀及化学机械抛光（CMP）工艺的加工时间及成品率。

对硅片磨削表面状态的研究，有助于最终实现硅片的高效率、高精度、无损伤的光滑表面加工有着重要意义。

本文针对目前存在的问题，对硅片磨削表面进行较深入研究，以解决部分现存问题。

对于单晶硅片，传统的加工技术流程为：单晶生长磨外圆及平边（Flat/Notch）切片倒圆角研磨腐蚀清洗抛光。

由于采用内圆金刚石锯片切割的硅片会产生较大的翘曲变形，硅片表面还会残留切痕和微裂纹。

金刚石磨粒纳米加工单晶碳化硅非连续表面机理研究*王一凡， 唐文智， 何　艳， 高兴军， 凡　林， 宋淑媛（辽宁石油化工大学 机械工程学院, 辽宁 抚顺 113001）摘要　建立金刚石磨料纳米加工单晶碳化硅衬底的分子动力学模型，从矢量位移、切削力、晶体结构相变及缺陷等方面研究划痕对原子去除过程的影响以及划痕壁面的材料去除机理。

结果表明：划痕区域原子的去除方法主要是剪切和挤压。

划痕入口区壁面变形为弹性和塑性混合变形，划痕出口区壁面变形主要为塑性变形，增加纳米加工深度能够提高原子的去除量。

衬底表面存在的划痕使纳米加工过程中的切向和法向切削力均降低，最大差值分别为300和600 nN ，划痕区域原子的缺失是切向力下降的主要原因。

磨粒的剪切挤压作用使碳化硅原子的晶体结构发生了非晶转化，产生了大量不具有完整晶格的原子，并且衬底表层的原子与临近的原子成键，形成稳定的结构。

衬底温度受影响的区域主要集中在磨粒的下方，并向衬底的深处传递，在2、5和8 Å纳米加工深度下衬底温度之间的差值约为100 K 。

关键词　纳米加工；单晶碳化硅；非连续表面；位移矢量；切削力；相变中图分类号　TQ164;TG58;TG74;TH161　文献标志码　A 文章编号　1006-852X(2024)01-0092-09DOI 码　10.13394/ki.jgszz.2023.0057收稿日期　2023-03-10　修回日期　2023-05-17碳化硅半导体材料具有良好的热稳定性和化学稳定性，优异的抗氧化性和耐腐蚀性，以及相对较好的抗高中子辐照性，成为恶劣环境下理想的衬底材料[1-3]。

然而，碳化硅的脆性和硬度特性使其难以加工，表面容易损伤。

目前，集成电路已进入多样性、精细化和微观结构的新发展模式，对衬底材料提出了更高的加工质量要求，其表面粗糙度需要达到纳米级乃至亚纳米级以下。

因此，碳化硅非连续表面的超精密纳米加工技术成为促进新一代纳米集成电路制造和信息技术持续发展的重要条件[4-5]。

减薄抛光的半导体晶片背面微损伤成因分析摘要硅晶片裂纹失效是影响半导体芯片封装质量和可靠性的重要因素之一。

从硅片供应商、半导体晶片制造、封装组装到最终客户应用，供应链的每个环节都需要解决这个问题。

找到影响晶片裂纹的关键因素，对于实施准确的纠正措施是至关重要的调查。

晶片裂纹产生的关键因素是晶片背面磨削后的微损伤。

本研究旨在探讨影响背磨抛光后背面微损伤的各种因素，通过设计由背磨过程中各工序和机械步骤组成的实验方法，通过轮廓仪监测确定各因素对背磨抛光后晶片背面微损伤的影响。

为了提高薄晶片的机械强度，对薄片进行抛光是敏感晶片的常用工艺。

结果表明，抛光后的晶片背面被触碰会导致微损伤。

关键词背面研磨，晶片裂纹，背面损伤，抛光。

引言目前，对于半导体封装来说，越来越小是大趋势，这就要求晶片越做越薄。

但硅片越薄，翘曲、微裂纹、应力等问题就越严重，会影响成品率、搬运、揭膜、激光打标和切粒等。

同时，对可靠性的要求也很高，尤其是在汽车安全方面。

封装晶片裂纹是影响可靠性的一种典型问题，对175微米厚度以下晶圆背面进行抛光，去除磨轮减薄损伤层以改善晶片的力学性能是半导体制造中常见的工艺。

晶圆背面进行镜面抛光后，晶片强度提高。

但单机抛光并没有消除晶片裂纹，一些失效案例中还是出现了晶片破裂。

1. LQFP芯片在使用过程中发生晶片破裂LQFP (Low Profile Quad Flat Packages) 48ld 7x7EP (Exposed Pad)几个芯片由于功能失效被客户退回，其中一个是Pin 37在热功能测试中没有波形，见图1。

失效分析包括封装光学检查、x射线检查和SAM(扫描声学显微镜)，未发现异常。

用磨削工具对失效部件背面进行脱模处理后，对晶片裂纹进行了捕捉，光学和扫描电子显微镜(SEM)图像显示了微损伤(长约370um，宽约12um)，穿过晶片背面裂纹线。

用EDX(能量色散x射线光谱)进行成分分析。

断裂硅间隙和微损伤区主要含有C和Si，与晶片背面完整的硅晶片相匹配，含碳较高是因FA分析过程中，用化学方法去除晶片附着层导致的，见图2。

万方数据再增大。

这是因为微裂纹的产生阻止了缺陷在亚表面的进一步渗透。

最近的分子动力学研究也为压痕过程中ａ—ｓｉ相的形成提供了理论根据Ｍ，研究指出如果加载时的应力不足以产生ｓｉ—ＩＩ相时，则在卸载时不会发生非晶相变，重复压痕也不会使第一次压痕产生的ａ—ｓｉ相有太大改变。

图１不同压痕载荷下的表面层损伤李东升等对单晶硅片不同压痕载荷下的压痕形貌和压痕边缘的微裂纹进行了观测㈣。

研究指出载荷较小时，由于靠近压头和睁晶硅表面接触区有拉应力存在，压痕边缘向内凹入，没有明显的隆起线；而当载荷较大时，在压痕回复区域内有脆性同心裂纹以及蝶翅形变形区产生。

当接触区下的拉应力最大值超过临界值时，在压痕对角线边缘形成中位裂纹，中位裂纹的形成使接触区的应力场分布复杂化，从而导致卸载后不仅有近似理想的弹性接触应力场。

还会有以拉应力分量为主的残余应力场出现。

弹性接触应力场和残余应力场的迭加使中位裂纹沿着择优取向的晶向或者沿着与主张应力分量正交的轨迹扩向自由表面并与之相切于压痕的两侧。

最终，随着载荷的进一步增大，中位裂纹的扩展呈半圆状剖面的几何形状，构成从压痕棱角扩展开来的表面径向裂纹。

当裂纹产生堆集并与试样表面交截时，会导致部分表面材料的剥落。

福州大学张琼等用ＴＥＭ研究了单晶硅压痕微裂纹的形成与扩展，指出压痕应力场使高脆性单晶硅发生滑移方式的塑性变形，从而表现出形态各异的位错组态：位错圈、堆垛层错、压杆位镨、扩展不全位错及位错偶等１６．１”。

总之，单晶硅的压痕研究表明：在接触界面处有一个相变区域，该区域外有一个近似半圆形的塑性变形域，加载过程中产生中位微裂纹和径向微裂纹，卸载过程中产生横向微裂纹。

接触损伤区由非晶层、相变层、位错、平面缺陷和微裂纹构成。

表面上纯弹性变形区很窄，压痕过程中硅单晶表绿色质量工程面层的ｓｉ．Ｉ相向ｓ卜ＩＩ相转变；卸载荷时，ｓ卜ＩＩ相转变为ａ—ｓｉ、ｓｉ—ＩＩＩ相或ｓｉ－ｘＩＩ相；相变区之下还有位错塞积和平面缺陷阎。

金刚石砂轮磨削单晶硅片面形变化规律陈修艺;刘海军;朱祥龙;康仁科;董志刚【摘要】磨削减薄过程中,硅片表面产生亚表面损伤,其中的残余应力使硅片产生翘曲变形.因此,研究无光磨磨削时的硅片面形变化规律以评价其加工质量.使用金刚石砂轮无光磨磨削厚度400 μm和450μm的硅片并测量其面形.将硅片面形数据从中心向边缘沿径向分割成5个环带,分别研究其面形拟合弯曲曲率半径变化.结果显示:从中心区域到边缘区域,硅片的变形量增大,说明无光磨硅片上的残余应力变大,即磨削加工损伤增大.同时,研究还发现晶向对硅片变形有显著影响,<110>晶向区变形与<100>晶向区变形差异明显.%Subsurface damage is formed in the silicon wafer during the thinning process,where residual stress causes defects.Therefore,variation law of the warping profile was studied in the silicon wafer without spark-out process.The silicon wafers were thinned to 400 μm or 450μm by a diamond grinding wheel and their warping profiles were measured.The silicon surface profile was divided into five rings from the center to the edge in radial direction and the radius of curvature of each area was obtained by spherical fit respectively.By analyzing the warping profile,it is found that the deformation of the silicon wafer increases from the central area to the edge and it implies that the residual stress grows and so does the grinding damage.In addition,it is found that the crystal orientation has a significant effect on the deformation of silicon wafer,thus the deformation in the <110> crystal orientation area quite different from that in the <100> crystal orientation area.【期刊名称】《金刚石与磨料磨具工程》【年(卷),期】2017(037)002【总页数】5页(P6-10)【关键词】磨削硅片;残余应力;曲率;晶向【作者】陈修艺;刘海军;朱祥龙;康仁科;董志刚【作者单位】大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024;合肥工业大学机械工程学院/现代集成制造与数控装备研究所,合肥230009;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TG58金刚石磨具具有面形精度高、加工效率高的优点,成为重要的硅片加工工具[1],但仍会在被磨削硅片的表面造成亚表面损伤[2]。

硅晶片的超精密加工摘要：归纳总结了硅晶片的加工原理、加工方法，分析加工硅晶片的技术要求其精密制造过程，并通过对国外技术装备的分析，指出硅晶片高效精密加工技术的发展趋势。

关键词：硅晶片超精密加工磨削抛光前言硅是具有金刚石晶体结构，原子以共价键结合的硬脆材料，其硬度达到1000HV，但断裂强度很低，所以超精密加工晶体硅有一定的难度。

同时，硅又是一种很好的材料，构成集成电路半导体晶片的90%以上都是硅晶片。

随着电路芯片的集成度不断提高，而加工特征尺寸和加工成本逐步缩小，如下表。

为了能在硅晶片上印刷集成电路，与其他元件结合紧密，硅晶片的表面必须平直，特别是随着集成电路的集成程度的提高，对硅晶片的表面的线宽、硅晶片的平直度提出了越来越高的要求，故实现优质，低耗，高精度的硅晶片的超精密加工具有极其重要的意义。

1992 1995 1998 2001 2004 2005 硅晶片尺寸/mm 200 200 200/300~400 300~400 300~400 300~400 存储空间16M 64M 256M 1G 4G 18G 加工成本($/cm2) 4.0 3.9 3.8 3.7 3.6 3.5 缺陷密度(N/cm2) 0.1 0.05 0.03 0.01 0.004 0.002 特征尺寸/um 0.5 0..35 0.25 0.18 0.12 0.10[2]硅晶片加工是IC制造系统重要的基础环节，硅片的加工精度、表面粗糙度和表面完整性直接影响IC的线宽和IC的性能，对于<200mm的硅片，传统的加工工艺过程为：切片→倒角→研磨→腐蚀→清洗→抛光（如图1）。

由于采用内圆金刚石锯片切割会产生较大的翘曲变形，最大翘曲量达到37um，硅片表面还会残留切痕和微裂痕，损伤层深度可达10~50um，经双面研磨机平整化加工后可使硅片厚度公差小于3um，总厚度变化TTV<1um，平整度<1um，但表面粗糙度为0.1~0.2um，达不到要求，需经过后续的腐蚀去除研磨所产生的表面损伤层，最后经过化学机械抛光获得超光滑无损伤表面。