摘 要：分析了硅片倒角工艺各参数对倒角轮廓表面粗糙度的影响，从而为加工出高质量的倒角轮廓制定合理的倒角工艺参数提供参考。 关键词：硅片倒角 倒角机 磨轮 磨削 倒角轮廓 粗糙度
中图分类号：TN3 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）002-049-02
1 引言
随着半导体行业的发展，集成电路规模也不断扩大，厂商对衬底片质量的要求也越来越高。不仅要求高质量的抛光面与单晶晶体，同时部分种类的元器件需要外延的衬底片外延层的外延厚度也随之不断增加。在前几年外延厂家外延层的厚度主流是30 左右，现在主流外延厚度增加到了50 -60 之间。外延层外延厚度的增加，外延后产生缺陷的几率也随之增加。为了解决外延后产生的滑移线等缺陷，各个厂家投入了大量的研究，目前的理论产生滑移线主要因素是因为衬底片上存在应力及衬底晶体生长存在缺陷。按照应力的产生原因分类为机械应力和热应力，而衬底片上的应力主要产生于晶棒外径滚磨和晶片倒角工序。所以如何减少在倒角过程中产生的应力和如何减少应力对硅片外延的影响至关重要。
2 硅的机械性质
在室温时，硅是一种无延展性的脆性材料，但在温度高于700-800℃时，硅具有明显的热塑性，在应力作用下会呈现塑性变形。硅的抗拉应力远大于抗剪应力，故在加工中很容易出现碎裂情况。
3 硅片倒角的目的
硅片倒角是把切割好的硅片的锐利边缘修整成指定的形状，防止在后续加工过程中硅片边缘出现破裂、崩边、及晶格缺陷的产生等，提高硅片的机械强度和可加工性，同时硅片倒角也是把晶棒外径滚磨产生的应力层去除的过程。
4 国内使用的倒角设备和倒角磨轮的情况
目前国内使用的倒角设备主要有日本东京精密（TSK）的W-GM系列倒角机和日本大图电子（Daitron）的WBM系列倒角机，使用国内制造的设备很少，国内制造的设备主要是中电集团45所仿照日本TSK W-GM-3000的DJ-801等，但设备的制造精度、稳定性及软件程序与进口设备还是有一定的差距。现在使用的比较成熟的设备，8英寸以下的主要是TSK W―GM―4100、TSK W―GM―4200倒角机及和8英寸及以上的TSK W―GM―5200倒角机，但进口设备价格较高，尤其是设备备件非常昂贵。
当前国内倒角机设备使用的磨轮从制造方法上分主要有两种类型：一种是电镀法的磨轮；一种是烧结法的磨轮。电镀法的磨轮主要是美国生产的Diamotec和Nifec等,烧结法的磨轮主要有日本的Asahi(SUN)、KGW等。
5 倒角工艺的制定
倒角工艺主要是根据倒角设备的情况和所使用的磨轮磨削材料的粒度选定合适的磨轮转速、硅片转速、硅片去除量、倒角圈数、磨轮型号、切削液类型、切削液流量等来生产出满足客户需求的产品。
(1)如何选用合适的磨轮转速，这需要全方面的考虑。在相同磨削量的情况下，提高磨轮转速，可以降低硅片在磨削时的受力，所以不仅提高了磨轮的使用寿命，也降低了磨削后在硅片上残余的机械应力和硅片磨削表面的粗糙度，但磨轮转速的提高，同样也增加了磨削时产生的热量，使磨削区的温度升高，而温度的升高，使硅材料的抗拉强度显著下降，也影响了单晶硅的组织结构，增加了磨削区域残余的热应力，且温度的升高，降低了磨轮金刚砂粒的硬度，也使磨粒与磨削材料之间产生扩散磨损和粘接磨损，使磨粒迅速钝化，降低了磨轮的使用寿命，也使磨削时磨削表面出现浅坑或沟痕，增加了表面粗糙度。同时磨轮转速的提高也降低了磨轮轴的使用寿命，且提高磨轮转速时若磨轮安装动平衡不好时磨轮轴在磨削时的跳动量也会增加，不利于加工出光滑的表面。所以，磨轮转速的选择原则是在保证磨削区域温度不影响硅片和磨粒性能和磨轮轴寿命的情况下尽可能选择高的转速。磨轮在一定转速下磨削区域的温度又与磨粒粒径、磨削量、磨削液流量有关系。
下面几张倒角轮廓照片，图1左是正常情况下、图1中是磨轮在低转速下、图1右是局部区域温度较高的情况下生产的硅片经酸腐蚀处理后拍摄的照片。从照片中可以看到低转速下倒角轮廓表面粗糙，很不光滑，而局部区域温度较高时在高温区因粘接磨损造成了很多小坑，形成了一条深沟带。
图1左 图1中 图1右
(2)硅片去除量选择多少为合适？这与磨轮磨粒的切削能力和损伤层深度有很大的关系，同时去除量的多少也直接关系到了磨削区域的温度变化。目前国内使用磨轮的粒度主要有800#，1200#，1500#。有些对硅片边缘要求非常高的产品，可能会使用到3000#的磨轮，或使用树脂轮甚至增加边抛工序。正常使用情况下800#的损伤层在30-50 m之间，1200#与1500#的损伤层在8-15 m之间。通过实验，磨轮转速在4000rpm(8英寸磨轮)时，800#的切削量可以达到1.2mm甚至更多，1200#的切削量可以达到0.3mm，1500#的切削量可以达到0.25mm。据了解国内倒角工艺在倒边缘轮廓形状为R型时主要分三种，一种是用800#倒一圈，一种是分别用800#，1200#或1500#倒两圈，一种是800#倒一圈，1500#再倒两圈。所以在选择去除量时，下一圈的去除量要尽量把上一圈产生的损伤层倒掉，所以第二圈的去除量选择在0.05-0.075之间较好。
(3)倒角圈数的选择，一般是根据硅片的类型来选择，正常情况下，轻掺片大多选择倒一圈，重掺片大多选择倒两圈或三圈。
(4)磨轮型号的选择是根据客户对硅片边缘轮廓的要求来制定，目前国内客户对边缘轮廓的要求主要有两种，一种是SEMI标准，也就是倒角轮廓与硅片表面的夹角为22?，一种是明确提出倒角轮廓与硅片表面的夹角?1?，甚至部分厂家更详细的要求了抛光片边缘轮廓的宽度。这时可以选择合适的磨轮型号，以满足客户的要求。另还有部分客户对倒角轮廓有特殊的要求，如要求倒角轮廓为T型，这时就需要使用T型特殊磨轮来加工。根据我们的加工经验，22?的硅片倒角后倒角轮廓的宽度?00-500 m之间为佳，11?的硅片倒角后倒角轮廓的宽度?00-800 m之间为佳。
(5)切削液的功能不仅是要及时把磨削时产生的热量带走，同时也要把磨削掉的磨屑及时冲掉，防止二次磨削的发生。据了解，切削液国内外大部分是使用纯水做为切削液，少量的使用软化水或专门配的切削液。软化水成本低，但清洗能力稍差，容易出现二次磨削情况的发生，而专门配制的磨液虽效果非常好，但成本较高。选择不同的切削液，不仅边缘轮廓的质量有差别，同时磨轮的寿命也会有比较大的差别。通过实验，在同一台设备且加工条件一致的情况下，使用相同的磨轮且都是1500#粒度的磨轮加工5英寸硅片，分别用软化水、纯水、专配切削液，单个磨轮槽的平均使用寿命分别为4000片、6000片、10000片。
(6)切削液的流量，根据加工经验通常每厘米宽度上的流量保持在1L/min时加工的表面质量比较稳定,所以流量在1.5L/min以上即可。若需要达到更高的表面质量，就要加大流量。正常情况下，流量达到3L/min就可达到很好的效果，若再增加流量，效果增加的就不太明显。现在通常为了达到更好的效果，除了一个喷头用于磨削区域外，还增加了一个清洗磨轮槽的喷头，该喷头主要用于把磨轮槽磨削后附着在槽内的磨屑清洗干净。
6 总结
倒角工艺的制定需要考虑各个方面的因素，需要根据设备能达到的状态和客户需求来选择出最佳的工艺参数，也要根据设备状态选用合适的磨轮，以达到最佳的倒角效果。
参考文献：
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