减薄晶圆损伤层残余应力和力学性能测量方法研究

The development of Integral Circuits (IC) has a tread of improving integrated level, reducing weight and thickness. The thinning of wafer, which is the base of IC, is the key technology to successfully industrialize ultra-thin IC chips and 3D IC chips. During wafer grinding, surface damage will lower the mechanical properties，and form wafer bowing by inducing residual stress. However, the technology to determine the residual stress and mechanical properties of ground wafer is not well developed, and the quality of the ground wafer cannot be well evaluated. This study will apply a modified bulge test to determine residual stress and mechanical properties (including fracture strength and Young’s modulus) of ground wafer. To explain the mechanism of grinding damage on residual stress and mechanical properties, this study will employ Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM) and raman spectroscopy to observe the microstructure of damaged layer, and study the formation rule of damaged layer. Then by analyzing the effect of machining parameters on the formation of damaged layer, the effect of machining parameters on residual stress and mechanical properties will be studied. Finally, the machining parameters will be optimized, and the formation of damaged layer will be controlled, therefore, the ultimate goal of reducing residual stress and improving mechanical properties will be achieved.

集成电路 (IC) 芯片在提高集成度的同时，也在朝着轻薄化方向发展。芯片基底材料硅的减薄是成功产业化轻薄IC芯片、3D IC芯片的核心技术之一。晶圆在减薄过程中所造成的表面损伤会导致晶圆力学性能下降，并引入残余应力导致晶圆翘曲，最终影响晶圆的加工性能。然而减薄晶圆残余应力和力学性能的测量技术还不完善，不能对晶圆质量进行完整评估。本项目拟改进薄膜鼓泡法测试，将其应用于测量减薄晶圆残余应力和力学性能（包括断裂强度和杨氏模量）。为解释减薄损伤对残余应力和力学性能的影响机理，本项目将运用扫描电镜 (SEM)、透射电镜 (TEM)和拉曼光谱法观测损伤层微观结构，研究损伤层微观结构形成规律。然后通过分析减薄工艺参数对损伤层形成过程的影响，研究减薄工艺参数对残余应力和力学性能的作用规律。最后进行减薄工艺参数优化，实现对损伤层的有效控制，达到降低减薄晶圆残余应力并提高力学性能的目标。

硅晶圆旋转磨削减薄技术具有高效率和高精度的优点，已成为主流的硅晶圆减薄技术。然而，在磨削过程中，磨粒的机械切削作用不可避免造成硅晶圆表面损伤。损伤会降低硅晶圆强度，引起硅晶圆变形，增加硅晶圆的传输难度，降低磨削加工效率，还会降低后续封装产品的可靠性。因此，研究硅晶圆磨削损伤分布规律及其形成机理对于降低磨削损伤、提高磨削效率和后续封装产品的良率有重要意义。.本项目采用实验研究、分子动力学模拟和理论分析相结合的方法，系统研究了硅晶圆磨削损伤及其形成机理研究了硅晶圆的损伤形式、损伤形成机理和损伤规律。本项目首先研究了在粗磨和精磨过程中，砂轮转速、砂轮进给速率和晶圆转速对表面粗糙度、亚表面裂纹深度和残余应力、断裂强度的影响规律。.基于实验结果，提出并建立了硅晶圆磨削过程的磨削力预测模型。以单颗磨粒为研究对象，计算单颗磨粒切削时的摩擦力和切屑形成力。结合有效磨粒数量，建立了硅晶圆磨削过程的磨削力预测模型。模型综合考虑了磨削工艺参数、晶向和硅晶圆径向距离对磨削力的影响。接下来，基于磨削深度预测理论和纳米划痕实验结果，建立了亚表面裂纹深度预测模型。建立了表面粗糙度和磨削参数的理论模型。采用Rayleigh概率密度函数来定量描述磨痕的分布，通过考虑磨粒重叠和砂轮变形计算得到了平均磨痕深度。根据粗糙度Ra与磨痕深度的关系，建立了表面粗糙度预测模型。采用分子动力学的方法，研究了纳米磨削过程中损伤层相变机理和损伤层深度，并对损伤层自身进行了拉伸试验模拟，发现其断裂强度和断裂韧性比未损伤硅材料有超过40%的衰减。通过分析残余应力沿深度方向的分布，发现沿深度方向存在着从压应力向拉应力转换的规律。并通过测算损伤相变层在相变后的体积减小，揭示了相变体积变化是引起残余应力分布的主要原因。