磨削减薄硅片变形测量与残余应力计算

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作者：

陈修艺

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摘要：

单晶硅片是集成电路制造中最常用的衬底材料,为了满足半导体芯片的封装要求,需要对其进行减薄加工。硅片旋转磨削方法具有加工精度高和效率高等优点,得到了广泛的应用。然而,磨削过程使硅片表层产生亚表面损伤,损伤层中的残余应力使硅片发生翘曲变形,增加后续加工和运输过程中的碎片率。因此,需要研究硅片变形测量和残余应力计算方法,以评价硅片加工质量和优化加工工艺。由于硅片变形严重且重力引起的附加变形显著,现有方法和设备测量硅片变形存在困难。因为没有高精度的测量方法导致残余应力分析也存在困难。为此,本文提出了磨削减薄硅片加工变形的检测方法,研究了硅片变形与残余应力的关系,分别基于薄板弯曲理论和采用有限元法提出了两种根据硅片变形计算残余应力的方法,最后利用硅片变形检测方法及所建立的残余应力计算方法,分析了磨削减薄硅片表面残余应力沿径向和周向的分布规律,主要研究内容与结论如下:针对硅片设计了专用的三点支撑平台,提出了磨削减薄硅片加工变形的检测方法。该方法采用三点支撑方法支撑硅片,以激光位移传感器测量硅片表面轮廓,确定硅片中心与三个支撑球位置关系后建立有限元模型计算三点支撑硅片的重力附加变形,通过从测量表面轮廓中去除重力附加变形,从而获得磨削减薄硅片的加工变形。研究了磨削硅片变形与残余应力的关系,分别基于薄板弯曲理论和采用有限元法提出了两种根据硅片变形计算残余应力的方法。通过有限元软件仿真研究了硅片各向异性对硅片变形的影响以及Stoney公式和薄板大变形理论公式对硅片变形的预测精度。设计实验验证了不同残余应力作用下有限元经验公式对大变形硅片变形程度的预测精度高于薄板弯曲理论公式,确定了3000#、2000#和600#金刚石砂轮在特定参数下磨削产生的应力分别为127.8 MPa、170.9 MPa和999.7 MPa(损伤层厚度为1μm)。利用硅片变形检测方法测量了磨削硅片变形,按径向分区域计算变形曲率,结合所建立的残余应力计算方法,分析了磨削减薄硅片表面残余应力沿径向和周向的分布规律。研究结果表明:无光磨硅片沿径向从中心到边缘变形曲率越来越大,说明变形越来越严重,相应的表面残余应力越来越大。同时通过变形拟合曲率半径误差分布发现硅片晶向对硅片变形影响显著,原因是不同晶向亚表面裂纹扩展难易程度不同。

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关键词：

硅片；变形；残余应力；拟合曲率；有限元

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1017.823020