摘要:研究表明，研磨工艺对改善半导体晶片几何参数非常关键。本文提出了一种在研磨工艺中采用多组厚度递减的游星片和晶片翻面的方法，有效地改善了晶片的几何参数。
1、引言
集成电路使用的半导体晶片，都是由半导体晶棒切割加工制成，在用内圆切片机或线切割机将半导体晶棒切割成晶片时，因切割条件总会有变化，切割片在厚度和平整度等方面都存在偏差。如果切割条件不合适，还会造成较深的损伤层[1]。晶片抛光过程中表面磨除量仅约151]-25μm，还需要用研磨来有效改善晶片的弯曲度、平整度与平行度的偏差，并降低损伤层厚度[2]。
2、研磨的作用
晶片研磨实际上就是在一定压力作用下使晶片表面不断地与磨料进行摩擦（上下磨盘反向运转），通过这种机械研磨作用可以达到的目的有：去除晶片表面的切片刀痕和凹凸不平；使表面加工损伤达到一致，这样在化学磨蚀过程中，表面腐蚀速度才能达到均匀一致；调节晶片厚度，使片与片之间厚度差缩小；提高平行度，使晶片各处厚度均匀；改善表面平整度[3]。
3、实验方法
研磨方法如图1所示，晶片1放在位于下盘3上的游星片2的片孔内，晶片厚度大于游星片的厚度。上盘4降下，与晶片接触，混合有磨料的研磨浆从上下盘间的间隙进入，通过磨料的研磨，去除晶片表面的损伤层，研磨下的碎屑则被浆料带走[4]。
图1 晶片研磨机示意图
1—晶片2—游星片 3—下盘 4—上盘
研磨可以降低损伤层厚度，改善晶片之间的厚度偏差(TIR)和晶片的平整度（TTV），但传统研磨工艺对晶片弯曲度（Bow）和翘曲度（Warp）等参数的改善却微乎其微。
本实验工艺是在双面研磨机上进行，首先要准备多组厚度递减的游星片，然后按以下步骤进行：
（1） 测量晶片厚度T0，选择研磨压力P，从而确定研磨速率v（实验确定）。
（2） 选择比晶片厚度稍薄的游星片T1。将游星片放在研磨机上，并将晶片放入游星片的片孔内，进行研磨。研磨压力为P，研磨时间为t1+t0。其中t1=（T0-T1）/v为将晶片研磨到与游星片厚度相同时的时间，根据研磨速率算出，t0为附加研磨时间，应在1~30分钟范围内。
（3）取下晶片和游星片，换上下一档厚度为T2的游星片，由于上下盘的磨除速率不一致，将晶片翻面，放入新的游星片片孔内，继续研磨。研磨时间为t2+t0，t2=（T1-T2）/v。为了保证晶片几何参数得到有效改善，应重复研磨n次，n≥ 2，直到达到最终要求厚度。
图2是研磨过程中晶片状态示意图，a是上盘4未降下时，晶片处于自由状态的情况；b是上盘4降下时的情况，晶片因压力而发生形变；c是晶片被研磨到和游星片厚度相同时的情况，晶片平整度得到改善，但仍存在应变，若这时取出晶片，晶片的warp、bow等参数仍未得到改善；d是继续研磨t0时间后的情况，晶片的部分应力得到释放，warp、bow等参数得到改善。
4、 实验结果
实施例一：研磨6英寸砷化镓晶片，切割片厚度为700μm，最终厚度要求为650μm，选择厚度差为10微米的多档游星片。
具体工艺过程如下：
（1） 研磨压力为20g/cm2，研磨速率为6μm/min。
（2） 选择厚度为690μm的游星片，将游星片和晶片放在研磨机上，进行研磨 +10分钟。
（3） 取下晶片，换上厚度680μm的游星片，晶片翻面放上，继续研磨 +10分钟。
（4） 重复研磨5次。
研磨完后，测量晶片几何参数，结果如表1。
表1 直径6英寸砷化镓晶片研磨结果
实施例二：研磨4英寸硅晶片，切割片厚度为620μm，最终厚度要求为560μm，选择厚度差为20μm的多档游星片。
具体工艺过程如下：
（1） 研磨压力为60g/cm2，研磨速率为4μm/min。
（2） 选择厚度为600μm的游星片，将游星片和晶片放在研磨机上，进行研磨+10分钟。
（3） 取下晶片，换上厚度580μm的游星片，晶片翻面放上，继续研磨 +10分钟。
（4） 重复研磨3次。
研磨完后，测量晶片几何参数，结果如表2。
表2直径4英寸硅晶片研磨结果
5、结论
（1） 本方法可以有效地改善晶片的几何参数，尤其是可以改善晶片的翘曲度（Warp）、弯曲度（Bow），这是常规工艺不能达到的。
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（2） 由于受游星片厚度的保证，使用本工艺研磨出的晶片可以保证最终厚度一致，并且不会出现磨薄的现象。
（3） 改善了晶片的厚度偏差（Tir）和晶片的平整度（TTV，）改善了晶片表面平行度，晶片各处厚度均匀。
（4） 经过研磨使表面加工损伤达到一致，这样在化学腐蚀过程中，表面腐蚀速度才能达到均匀一致。
参考文献
[1] 刘玉岭 ，檀柏梅，张楷亮 编著. 超大规模集成电路衬底材料性能及加工测试技术工程.北京:冶金工业出版社，2002.8
[2] Mendel E.Polishing of silicon .Solid State Technol ,1967
[3] 刘玉岭，檀柏梅，孙光英，蒋建国，硅单晶片研磨液的研究，稀有金属，2001；25
[4] 韩爱珍编.半导体工艺化学.南京:东南大学出版社,1991