硅晶片超精密加工的研究现状.doc

硅晶片超精密加工的研究现状 闫占辉 （长春工程学院机械工程系，长春 130012） 摘要：归纳总结了硅晶片的加工原理、加工方法和加工设备，分析了硅晶片超精密加工的研究现状，并对硅晶片超精密加工的发展趋势和今后的研究工作进行了展望。 关键词：硅晶片，超精密加工，集成电路 中图分类号：TN305 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)11-0031-04 1 前言 硅是具有金刚石晶体结构，原子间以共价键结合的硬脆材料。其硬度达到1000HV，但断裂强度很低，超精密加工这样的硬脆材料有一定的难度。同时，硅又是一种很好的半导体材料，构成集成电路半导体晶片（芯片）的90%以上都是硅晶片 [1]。集成电路自1959年发明以来，集成电路芯片的集成度在不断提高，而加工特征尺寸和加工成本逐步缩小 [2]，如表1所示。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；而且企业为了占领市场，实现优质、低耗，大尺寸、高精度的硅晶片超精密加工具有及其重要的意义。 现今世界上硅晶片生产主要集中分布于美国、日本、西欧、新加坡等少数发达国家和地区。国内现处于兴建硅晶片加工厂和生产硅晶片的热潮。目前，大批生产的硅片直径以200mm为主，但300mm直径的硅片已在2000年开始出现。目前，只有美国英特尔公司和德州仪器可以制作300mm的硅晶片。2015年左右可能出现400～450mm直径的硅片，这无疑对硅晶片的超精密加工提出了更高的要求 [3~4]。日本为改变半导体竞争力下降的局面，开发大晶片技术，于1996年联合成立了超大型硅研究所（SSI），共同研究开发400mm硅片的关键技术 [5~6]。 超精密加工的加工机理主要包括进化加工 及超越性加工。目前除对机理研究外，还对微观表面完整性、在超精密范畴内对各种材料的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行提示性研究。由于直接对切削点观察异常困难，现在有提议将切削装置小型化，放置于 SEM的镜头下进行切削并观察。日本大阪大学井川直哉教授等开始采用计算机仿真，逐步向揭开微量切削的奥秘迫近。 超精密加工方法主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨（机械研磨、化学机械研磨、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等）以及超精密特种加工（电子束、离子束以及激光束加工等）。而且在今后的相当一段时间，亚微米及纳米级制造及测量成为制造科技和制造工艺的主流。 2 硅晶片主要加工方法的研究现状 2.1 硅晶片的形成 硅晶片经过以下过程形成：多晶体硅→极限拉伸（局域拉伸）→单晶体硅柱→外圆磨削（无心磨削）→磨削切断（精密切割）→圆边→硅晶片 （1）晶棒成长工序（拉单晶）：融化 → 颈部成长 → 晶冠成长 → 晶体成长 → 尾部成长。 （2）晶棒裁切与检测：将长成的晶棒去掉直径偏小的头、尾部分，并对尺寸进行检测，以决定下步加工的工艺参数。 （3）外径磨削：由于在晶棒成长过程中，其外径尺寸和圆度均有一定偏差，其外圆柱面也凹凸不平，所以必须对外径进行修整、研磨，使其尺寸、形状误差均小于允许偏差。 （4）切断：由于硅的硬度非常大，所以在本工序里，采用环状、其内径边缘镶嵌有钻石颗粒的薄片锯片将晶棒切割成一片片薄片。 （5）圆边：刚切下来的晶片外边缘很锋利， 硅单晶又是脆性材料，为避免边角崩裂影响晶片强度、破坏表面光洁和对后工序带来污染颗粒，必须用专用的电脑控制设备自动修整晶片边缘形状和外径尺寸。 2.2 硅晶片的超精密加工 经过上述过程所形成的硅晶片，其平面度小于 8μm，但还需进一步加工，以提高其平面度和降低表面粗糙度。其主要过程为粗磨→精磨→化学刻蚀→抛光→电路层制作→背面磨削→切割成小块。 2.2.1 超精密切削的研究现状 单点金刚石切削（SPDT）。单点金刚石切削的特点是采用数控方法直接控制加工轮廓和表面粗糙度，是加工红外光学材料和磨削加工的可替代方法。Venkatesh 等人采用0°前角、刀尖半径为0.75mm的金刚石刀具加工硅晶片，当切削深度为1mm、进给速度为0.4mm/min、主轴速度为400m/min时，采用AFM测量方法，所得到的表面粗糙度达到1nm[7]。 金刚石切削刀具刃口圆弧半径一直在向更小的方向发展，因为它的大小直接影响到被加工表面的粗糙度，同时还必然要求金刚石刀具更加锋利。根据日本大阪大学岛田尚一博士介绍，为了进行切薄试验，目标是达到切屑的厚度1nm，其刃口圆弧半径趋近2～4nm。为解决金刚石刀具的磨损问题，Jiwang Yan等人提出采用倒角金刚石刀具大进给塑性加工单晶硅，在进给量为5 mm/rev等加工条件下得到的SEM连续切屑如