砂輪參數對SiC減薄工藝的影響

實驗原理與設備。本實驗采用in-feed磨削原 理的減薄機進行工藝，晶圓減薄過程如圖1所示。晶圓由真空吸盤帶著自轉，砂輪由減薄機主軸帶 動反方向旋轉，同時以一定速率向下進給，利用 砂輪的鋒利度對晶圓進行磨削加工。該方法加工 過程中，砂輪只與晶圓的1/4區域接觸，保證了減 薄過程中砂輪負載不受晶圓面積變化的影響。

實驗所采用的設備如圖2所示，主軸最大轉速2 800rpm,主軸進給精度為0.1μm，最小進給速度 為0.1μm/s，真空吸盤最大轉速300rpm。加工過程 中，冷卻水會對主軸、砂輪、晶圓進行冷卻，并對 晶圓表面進行清洗，避免減薄過程產生的熱量以及 磨削的碎屑對工藝造成影響。設備具有自動在線測 厚功能，可以邊加工邊測量晶圓厚度。同時根據加 工量和主軸下降位置，計算出砂輪的損耗量。設備 自帶負載實時監控功能，可以顯示加工過程中的主 軸負載電流值，從而判斷樣品減薄過程中砂輪去除 樣品的能力。負載值設置報警卡控線，超過卡控值 會報警，自動停止工藝。

實驗過程。選用直徑為150mm的SiC樣品進行減 薄工藝，樣品厚度為360±30μm。選取不同加工參 數的砂輪對樣品進行減薄，對比砂輪參數對減薄效 果的影響。根據加工經驗選擇并優化工藝參數，對 比相同砂輪不同工藝參數對減薄的影響。

工藝步驟如下：（1）貼膜→測量樣品厚度→ 工藝加工→量測厚度、測量粗糙度、記錄砂輪損耗 值。（2）工藝加工過程中，實時觀察主軸負載電流 值，根據主軸負載電流值優化工藝參數。

不同參數砂輪的加工效果及工藝參數優化。根 據經驗值，選擇初始減薄工藝參數如下：主軸轉速   2 000rpm，真空吸盤轉速277rpm，進給速率0.2μm/ s。工藝過程中，根據實際工藝情況調整主軸轉速和 進給速率。主軸負載電流卡控值為45mA。

1#樣品：砂輪使用傳統金屬結合劑，粒度 2000#，無人造孔隙，燒結溫度500℃。采用經驗 工藝參數進行減薄加工，砂輪與晶圓接觸后負載電 流持續增加，10s鐘內主軸負載電流超過報警值， 暫停工藝。取下晶圓檢查外觀和測試厚度。晶圓 表面有劃痕，厚度幾乎無變化。提高砂輪轉速到 2500rpm,減薄進給速率降至0.1μm/s，重新進行 工藝加工，現象與上述相同。判斷該砂輪無法減薄 SiC晶圓。

2#樣品：砂輪使用傳統金屬結合劑，粒度 2000#，無人造孔隙，燒結溫度500℃。在1#砂輪 基礎上，加入一定比例脆性填料，如玻璃，氧化鋁 等。采用經驗工藝參數進行減薄加工，砂輪與晶圓 接觸后負載電流變大，4min后主軸負載電流超過 報警值，暫停工藝，取下晶圓檢查外觀和測試厚 度。晶圓表面有劃痕，厚度降低45μm。根據設備 補償值計算，砂輪損耗3μm。提高砂輪轉速到2 500   rpm,減薄進給速率降至0.1μm/s，重新進行工藝加 工，砂輪主軸負載電流在10s內超過報警值。判斷 該砂輪無法減薄SiC晶圓。相對于1#砂輪，2#砂輪 略有改善。經過判斷，認為鋒利度不夠可能是無法 減薄的主要原因，為3#砂輪的研制提供了思路。

3#樣品：砂輪使用超細脆性金屬結合劑，粒度 2000#，人造孔隙率60%以上，孔徑120μm左右，燒 結溫度500℃。采用經驗工藝參數進行減薄加工， 加工一段時間后砂輪電流報警。加大主軸轉速到 2500rpm進行工藝，主軸電流無報警，電流值波動 大，如圖3所示。設置減薄100μm，實際減薄90μm   SiC晶圓，砂輪損耗50μm。損耗比（砂輪損耗：晶 圓去除量）1:1.8，無法滿足低成本生產要求。通 過該樣品得出，砂輪是否可以減薄SiC，主要與人 造孔隙率相關。提高減薄轉速砂輪可以減薄晶圓， 驗證砂輪的鋒利度，這是SiC減薄的關鍵因素。

4#樣品：基于3#樣品結果，砂輪使用超細脆 性金屬結合劑，粒度2000#，人造孔隙率降低5%， 孔徑70μm左右，燒結溫度降低20%，燒結壓力增 加50%。采用經驗工藝參數進行減薄加工，砂輪電 流無報警，電流值波動穩定，如圖4所示。設置減 薄100μm，實際減薄98μm，砂輪損耗5μm，損耗 比接近1:20。在此基礎上，提高砂輪轉速到2 500   rpm,砂輪進給速率0.5μm/s，主軸電流變大，有 安全隱患。降低進給速率到0.3μm/s，主軸電流穩 定。經過100片次晶圓減薄驗證后，發現砂輪偶有打滑現象，晶圓表面偶爾出現表面紋路過深，甚至 晶圓破損。

5#樣品：為了改善砂輪打滑，提高減薄穩定 性和減薄工藝質量，降低晶圓破損率，在4#樣品基 礎上進行砂輪改善。采用4#工藝，燒結壓力較4#樣 品降低10%。采用工藝參數為主軸轉速2 500rpm， 進給速率0.3μm/s。砂輪電流無報警，電流值波 動穩定性提高，如圖5所示。設置減薄100μm，實際減薄 98μm，砂輪損耗8μm，損耗 比接近1:13。長期使用砂輪 穩定性好，晶圓無破損，表面 紋路及粗糙度均滿足要求。

結果分析。通過上述5個樣品砂輪進行減薄工 藝，可以得出在砂輪金剛石目數（2000#）相同的 情況下，決定砂輪是否可以減薄SiC的關鍵因素是 鋒利度，而鋒利度與孔隙率密切相關。這是由于 SiC硬度大，在減薄過程中，金剛石鋒利度逐漸降 低，砂輪脫落不及時會造成新的金剛石無法露出表 面，造成無法去除SiC，同時主軸負載增加過大。

實驗中還得出，砂輪壽命和穩定性是一對矛盾 的因素。提高砂輪壽命，就要降低孔隙率，同時減 薄過程會出現打滑、減薄后晶圓表面質量差甚至碎 片的可能。通過實驗發現，降低燒結壓力可以在保 證減薄工藝穩定的情況下，略微降低砂輪壽命。比 起調節孔隙率，降低燒結壓力更加容易實現。試驗 中發現，燒結溫度提高會降低砂輪的鋒利度，降低 燒結溫度有利于提高減薄工藝的穩定性。

在SiC減薄工藝中，主軸減薄轉速和進給速率 對于去除速率和減薄質量有著一定影響。砂輪參數 對于SiC減薄的有著決定性的影響。采用砂輪工藝 需要平衡砂輪鋒利度（穩定性）和壽命的關系，合 適的砂輪孔隙率和燒結工藝決定了砂輪是否可以有 效去除SiC、減薄時砂輪的損耗和穩定性。對于不 同能力的機臺，可以根據機臺主軸功率、最大轉速 和進給速率，選擇合適的砂輪來兼顧生產效率、生 產質量和砂輪損耗。采用砂輪工藝進行SiC減薄， 控制砂輪穩定性和提高砂輪壽命是一對矛盾的關 系，為了開發某款型號設備的減薄砂輪，需要根據 設備能力和工藝參數，進行一系列的實驗來平衡穩 定性和壽命的問題。