李懷陽 花寧 隋鎂深

（中建材衢州金格蘭石英有限公司，浙江 衢州 324000）

1 引言

石英玻璃晶圓因具有化學(xué)純度高、抗熱膨脹和熱沖擊性能強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度高、耐輻射性能高、光傳輸效果好等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，常用于光刻環(huán)節(jié)，也是MEMS及CMOS等傳感器中的重要組成部分。2017年全球半導(dǎo)體用玻璃晶圓銷量達(dá)到4.9億美元，在未來五年將以每年6%的增速持續(xù)發(fā)展[1]。隨著新型電子設(shè)備小型化及芯片制造量產(chǎn)化的發(fā)展趨勢，厚度更薄尺寸更大的石英玻璃晶圓正成為半導(dǎo)體廠商采購的熱點(diǎn)。我公司從事石英玻璃晶圓產(chǎn)品加工多年，長期出口歐洲半導(dǎo)體廠商，目前下游客戶廠商產(chǎn)品采購側(cè)重正從厚度0.5mm的薄片石英玻璃晶圓向厚度0.3mm以下的超薄石英玻璃晶圓發(fā)展。

雙面拋光過程為石英玻璃晶圓機(jī)械加工的最后一步，也是加工周期最長、控制產(chǎn)品質(zhì)量最為關(guān)鍵的一步。雙面拋光后的石英玻璃晶圓產(chǎn)品表面缺陷主要包括麻點(diǎn)、劃傷、崩邊、裂紋、破碎幾方面。麻點(diǎn)及劃傷可以主要通過對拋光環(huán)境進(jìn)行控制來避免，也可以進(jìn)一步修復(fù)。而崩邊、裂紋、破碎（下文統(tǒng)稱破裂）這類不可修復(fù)缺陷的出現(xiàn)，主要是由于雙面拋光設(shè)備施加壓力和運(yùn)轉(zhuǎn)速度不當(dāng)造成的，一旦出現(xiàn)此類缺陷，產(chǎn)品無法修復(fù)只能報(bào)廢。因此超薄石英玻璃晶圓加工難點(diǎn)主要集中在降低破裂缺陷，提高成品率方面。

為在保證生產(chǎn)效率的前提下提高石英玻璃晶圓加工精度和成品率，本文通過對石英玻璃晶圓破裂的受力分析及生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)過程中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果兩方面進(jìn)行分析，主要對石英玻璃晶圓在雙面磨拋過程中出現(xiàn)破裂現(xiàn)象的原因以及如何避免進(jìn)行了探究。

2 實(shí)驗(yàn)

雙面拋光過程當(dāng)中造成石英玻璃晶圓破裂的主要影響工藝參數(shù)為雙面拋光機(jī)的轉(zhuǎn)速和雙面拋光機(jī)上盤施壓，因此將上盤施壓與下盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為本實(shí)驗(yàn)主要變量。根據(jù)以往石英玻璃晶圓拋光加工經(jīng)驗(yàn)，選取下盤轉(zhuǎn)速16、18、20、22、24rpm，上盤數(shù)顯壓力（輕壓）0.2、0.4、0.6、0.8、1bar作為實(shí)驗(yàn)變量。實(shí)驗(yàn)中為降低拋光設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的震動(dòng)干擾因素，采取對雙面拋光機(jī)上盤固定的方法進(jìn)行拋光。

實(shí)驗(yàn)樣品材料本公司生產(chǎn)的JGS2石英玻璃，經(jīng)切割、滾圓、粗磨、倒角、細(xì)磨后制成直徑100mm，厚度為0.35mm的精磨片。實(shí)驗(yàn)所用拋光設(shè)備為湖南宇晶機(jī)器股份有限公司生產(chǎn)的13B-5L雙面拋光機(jī)，拋光機(jī)上盤重量135kg，太陽輪速度與下盤（定盤）速度速比為1∶2。拋光液為法國羅地亞CEROX2660型氧化鈰拋光粉加純水配制。拋光介質(zhì)采用美國環(huán)球LP-10型聚氨酯拋光墊。每批拋光晶圓數(shù)量20片，拋光磨削量0.05mm。拋光結(jié)束后對不同轉(zhuǎn)速和施加壓力條件下的拋光作業(yè)時(shí)間（加工時(shí)間）進(jìn)行記錄，并對產(chǎn)品的破裂缺陷情況進(jìn)行全檢，將完全不存在破裂缺陷的產(chǎn)品記做合格成品，進(jìn)而計(jì)算產(chǎn)品成品率。

3 結(jié)果與分析

3.1 破裂缺陷的確定

石英玻璃晶圓的破裂缺陷主要包括崩邊、裂紋、破碎三種。圖1為光學(xué)顯微鏡放大50倍的石英玻璃晶圓破裂缺陷照片：其中圖1（a）所示的崩邊通常是長度超過0.3mm的肉眼可視邊緣斷裂或缺口；裂紋則往往是在崩邊的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步擴(kuò)展形成，如圖1（b）所示；存在裂紋的晶圓如繼續(xù)加工或使用極易在受力情況下破碎，如圖1（c）所示。因此在石英玻璃晶圓整套加工過程中，通常一旦出現(xiàn)崩邊即認(rèn)定為次品，不再進(jìn)行后續(xù)加工。

圖1 石英玻璃晶圓破裂缺陷

3.2 破裂缺陷的產(chǎn)生原因

在雙面拋光過程當(dāng)中，晶圓的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定于上盤轉(zhuǎn)速、下盤轉(zhuǎn)速、太陽輪轉(zhuǎn)速以及其承受各種作用力，晶圓在游星輪的帶動(dòng)下做行星運(yùn)動(dòng)與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。所以純粹的研究雙面拋光過程中的石英玻璃晶圓的整體受力狀況是一件極為復(fù)雜的事情。但從實(shí)際生產(chǎn)過程當(dāng)中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得知，石英玻璃晶圓的破裂缺陷總是首先從晶圓邊緣處出現(xiàn)。因此，石英玻璃晶圓的破裂臨界值取決于其邊緣強(qiáng)度。對石英玻璃晶圓邊緣處進(jìn)行的局部受力分析，可以從一定程度上解釋破裂缺陷產(chǎn)生的主要原因。

圖2 石英玻璃晶圓倒角示意圖

無論是在加工還是在使用過程當(dāng)中，石英玻璃晶圓的邊緣的強(qiáng)度都是值得注意的地方。因此，在生產(chǎn)過程中通常會(huì)對石英玻璃晶圓的邊緣進(jìn)行如圖2所示的保護(hù)性倒角處理，合適的倒角工藝能夠有效提高晶圓邊緣強(qiáng)度[2]。即便如此，在不當(dāng)?shù)纳a(chǎn)工藝和嚴(yán)格的使用環(huán)境下，石英玻璃晶圓的破裂缺陷還是會(huì)在倒角處出現(xiàn)。圖3（a）中對選取的晶圓倒角處單位面積為A 的局部位置進(jìn)行了受力分析。其中，θ為倒角角度；F1為單位面積A處晶圓承受的垂直方向作用力；F2為單位面積A處晶圓承受的水平方向作用力。在雙面拋光過程中，F(xiàn)1主要源自于雙面拋光機(jī)上盤施加的壓力，F(xiàn)2則主要是晶圓在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中向心力與游星輪對其反向作用力的合力。

圖3 石英玻璃晶圓局部受力分析

在圖3（b）和圖3（c）中，分別對F1和F2進(jìn)行受力分解，將其分別分解為垂直于倒角面的正向力P1、P2和平行于倒角面的切向力T1、T2。對于單位面積A處的晶圓，其所承受的正向力和切向力的合力：

因此，在單位面積A處的晶圓承受的正應(yīng)力σ和切應(yīng)力τ分別為：

由公式（3）和（4）可以得知，石英玻璃晶圓在雙面拋光過程中破裂的主要原因是由于其邊緣所承受的切應(yīng)力和正應(yīng)力超過晶圓機(jī)械強(qiáng)度極限。在超薄石英玻璃晶圓的加工過程中，由于晶圓厚度極?。ㄍǔＰ∮?.3mm），其保護(hù)性倒角的總面積也隨之銳減。所以在受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同的情況下，由于超薄石英玻璃晶圓單位面積A遠(yuǎn)小于普通晶圓，因此其承受的正應(yīng)力和切應(yīng)力也隨之大幅提高，極易超出晶圓機(jī)械強(qiáng)度極限，從而造成破裂缺陷的產(chǎn)生。

3.3 拋光工藝的確定

在本實(shí)驗(yàn)過程中，分別對上盤施加輕壓0.2、0.4、0.6、0.8、1bar的狀態(tài)下下盤轉(zhuǎn)速為16、18、20、22、24rpm的拋光成品進(jìn)行了成品率檢驗(yàn)，圖4為根據(jù)檢測統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制的不同壓力狀態(tài)下下盤轉(zhuǎn)速對成品率的影響。

圖4 下盤轉(zhuǎn)速對成品率的影響

由圖4可以看出，在固定壓力的情況下，隨著下盤轉(zhuǎn)速的提高，產(chǎn)品成品率呈現(xiàn)出下降趨勢。在下盤轉(zhuǎn)速超過20rpm之后，成品率下降程度逐漸明顯。在下盤轉(zhuǎn)速超過22rpm之后，無論在何種壓力狀態(tài)下進(jìn)行加工，超薄石英玻璃晶圓的成品率均無法達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求（95%）。由圖4還可以看出，當(dāng)上盤施加輕壓為0.2bar時(shí)，無論在何種轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行加工，產(chǎn)品成品率均未能超過95%。

從首先保障成品率的角度出發(fā)，只考慮成品率超過95%的實(shí)驗(yàn)記錄點(diǎn)。為找尋在滿足成品率的條件下加工效率最快的工藝條件，根據(jù)檢測統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制圖5，分析在不同轉(zhuǎn)速條件上盤施壓對加工時(shí)間的影響。

圖5 上盤施壓對加工時(shí)間的影響

由圖5可以看出，隨著雙面拋光機(jī)上盤對晶圓施加輕壓的提高（上盤對晶圓施加壓力的大小隨輕壓的提高而降低），產(chǎn)品加工時(shí)間不斷增加。圖5中加工時(shí)間最小的點(diǎn)對應(yīng)的工藝參數(shù)為轉(zhuǎn)速20rpm、輕壓0.4bar。由此可以得知，對于本實(shí)驗(yàn)選用規(guī)格的超薄石英玻璃晶圓的加工來說，當(dāng)雙面拋光機(jī)下盤轉(zhuǎn)速為20rpm，上盤施加輕壓0.4bar時(shí)能夠在避免破裂缺陷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最快加工速度。

需要注意的是，本實(shí)驗(yàn)選取的4英寸超薄石英玻璃晶圓為現(xiàn)今市場常見規(guī)格中最小直徑尺寸的產(chǎn)品，為充分降低破裂風(fēng)險(xiǎn)，對于6英寸、8英寸等更大直徑尺寸的超薄石英玻璃晶圓的拋光還應(yīng)選擇更低水平的轉(zhuǎn)速及壓力。

3.4 破裂缺陷的避免

設(shè)備轉(zhuǎn)速和施加壓力對石英玻璃晶圓破裂產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在晶圓承受的垂直和水平方向作用力之上。過快的轉(zhuǎn)速使得運(yùn)動(dòng)中的晶圓承受更大的向心力與游星輪的反向作用力，但設(shè)備轉(zhuǎn)速的降低勢必導(dǎo)致拋光效率的下降。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在施加壓力不變的情況下轉(zhuǎn)速的提高更容易導(dǎo)致晶圓崩邊缺陷的產(chǎn)生。

施加壓力的增加不僅能夠直接提高拋光磨料磨削效率，還能夠間接通過摩擦起熱的形式提高拋光溫度，從而通過有效促進(jìn)化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）反應(yīng)速度的形式來提升拋光速度[3]。但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在轉(zhuǎn)速不變的條件下，上盤施加過大的壓力是晶圓裂紋和破碎缺陷產(chǎn)生的主要原因。

為避免崩邊缺陷的產(chǎn)生，在對設(shè)備轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理調(diào)控的前提之下，還需關(guān)注游星輪的材質(zhì)及孔位設(shè)計(jì)。為避免裂紋和破碎缺陷的產(chǎn)生，除對設(shè)備施壓合理調(diào)控之外，還應(yīng)注意從避免設(shè)備震動(dòng)、保持良好磨盤面型等方面降低局部過大壓力的出現(xiàn)。

4 結(jié)論

1）超薄石英玻璃晶圓在雙面拋光過程中破裂的主要原因是由于其邊緣所承受的切應(yīng)力和正應(yīng)力超過晶圓機(jī)械強(qiáng)度極限。

2）由于對超薄石英玻璃晶圓進(jìn)行保護(hù)性倒角的面積大幅減小，導(dǎo)致其在加工過程中比常規(guī)晶圓承受更大的應(yīng)力。

3）裂紋和破碎往往是在崩邊的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步擴(kuò)展形成。

4）當(dāng)設(shè)備下盤轉(zhuǎn)速高于22rpm或施加輕壓小于0.2bar時(shí)，超薄石英玻璃晶圓破裂比例大幅提高。

5）當(dāng)雙面拋光機(jī)下盤轉(zhuǎn)速為20rpm、施加輕壓0.4bar時(shí)能夠在避免破裂缺陷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最快加工速度。

5 展望

中國是全球半導(dǎo)體消費(fèi)最大的國家，但我國半導(dǎo)體芯片嚴(yán)重依賴進(jìn)口。玻璃晶圓是半導(dǎo)體加工過程當(dāng)中的重要基礎(chǔ)性材料，但目前全球玻璃晶圓市場基本被肖特、康寧、旭硝子等歐美日企業(yè)所壟斷。目前國內(nèi)大型半導(dǎo)體廠商對玻璃晶圓的采購側(cè)重點(diǎn)也傾向于進(jìn)口產(chǎn)品。近期中美貿(mào)易戰(zhàn)愈演愈烈，石英玻璃晶圓的國產(chǎn)化變得更為重要。隨著近年來國內(nèi)外市場形勢的變化與我國政府扶持力度的不斷提高，相信通過國內(nèi)科技工作者的不斷努力，在不遠(yuǎn)的將來我國半導(dǎo)體行業(yè)一定會(huì)迎來突飛猛進(jìn)的發(fā)展時(shí)代。