基于硅片整体变形的磨削亚表面损伤定量评价方法研究

Evaluation of the subsurface damage of silicon wafers thinned by grinding is the basis for the research of damage rules and the optimization of thinning processes in the integrated circuit manufacturing. The non-continuity and non-uniformity of the microstructures in the subsurface damage layer of monocrystalline silicon brings difficulty to the conventional micro-observation method to evaluate the subsurface damage quantitatively. We propose a characterization method of subsurface damage based on the global wafer deformation. We will put the whole silicon wafer into the heavy liquid with the same density of silicon to cancel the gravitational effect by the floating force of the liquid and obtain the true wafer deformation by scanning. On this basis, we will reveal the deformation mechanism of anisotropic monocrystalline silicon wafer under residual stress and obtain the residual stress by the wafer deformation based on the theory of non-linear mechanics of composite materials and finite element simulation. We will research the distribution rules of residual stress along the direction of wafer thickness through molecular dynamics simulation and the mapping rules between the residual stress and the subsurface damage. We will establish the relationship model between macroscopic residual stress and microscopic subsurface damage using statistical theory. Finally, we will establish the quantitative evaluation method of grinding induced subsurface damage based on the global wafer deformation. This research has scientific significance and application value to enrich measurement theory, reveal the inner link between global wafer deformation and subsurface damage and enhance the performance of wafer thinning process.

在集成电路制造过程中，磨削减薄硅片亚表面损伤评价是损伤规律研究与减薄工艺优化的基础。单晶硅亚表面损伤中材料微观结构几何非连续与非均匀的特性给传统显微观测方法定量评价亚表面损伤带来困难。为此，本项目提出通过硅片整体变形表征亚表面损伤的方法。将硅片整体浸入与之密度相同的重液中，利用液体浮力消除全部重力影响，扫描测量获得硅片整体实际变形。在此基础上基于复合材料非线性力学理论与有限元仿真深入揭示各向异性单晶硅片在残余应力作用下的变形机理，通过硅片变形获得残余应力。采用分子动力学仿真研究磨削减薄硅片残余应力在厚度方向的分布规律及其与亚表面损伤之间的映射关系，基于统计学理论构建宏观残余应力与微观亚表面损伤的关系模型，最终建立基于硅片整体变形的磨削亚表面损伤定量评价方法。本项目对于丰富精密测量理论，揭示硅片整体变形与磨削亚表面损伤的内在联系，提高硅片减薄加工工艺水平，具有重要的科学意义和应用价值。

磨削是硅片减薄加工的重要工艺，评价制造产生的损伤是优化磨削工艺的基础。磨削是通过磨粒在机械力的作用下去除材料，且单晶硅具有脆性，使损伤的微观结构呈现几何非连续与非均匀的特性，导致显微观测评价方法重复性有限。为此，本项目提出了通过硅片整体变形评价磨削亚表面损伤的方法。首先基于液体浮力与硅片重力方向相反的特点建立了完全消除重力影响的硅片实际变形测量方法。将硅片整体浸入与之密度相等的重液中，设计了不引入额外弯矩的支撑装置，利用激光位移传感器结合二维扫描运动平台测量可以直接获得硅片的实际变形。其次研究了残余应力作用下减薄硅片变形机理。首先建立了考虑硅片各向异性的有限元模型，逐渐增加硅片的残余应力，直至其发生非稳态变形分叉，成功提取了稳态至非稳态变形转变的关键参数，建立了单晶硅片稳态至非稳态变形的判定方法。获得了各向异性单晶硅片的分叉变形应力参数值650.7GPa，可直接获得不同直径与厚度硅片的临界线分布力，无需重复有限元仿真。探索了硅片表面不同残余应力分布的硅片变形规律，通过理论推导与有限元仿真相结合的方法建立了根据大尺寸减薄硅片整体变形计算残余应力的方法，在消除重力影响获得硅片实际变形的基础上结合正则化方法，可有效消除测量误差对求解结果的影响。提出的求解方法可以独立于硅片的直径与厚度获取不同区域的硅片残余应力分布。在硅片变形与残余应力关系研究的基础上，提出了更具普适性的Stoney修正公式，对分叉之前的各向同性圆板建立了变形与残余应力之间的对应关系。在已知各向同性圆板杨氏模量、泊松比、直径与厚度时，可以通过简单基础的数学运算利用变形曲率半径求得残余应力。基于分子动力学方法建立了硅片磨削模型，研究了局域残余应力在硅片厚度方向上的变化规律，建立了求解产生硅片变形的总残余应力的积分模型。初步实现了从硅片变形求解硅片表面残余应力再到分子动力学微观损伤的关系建立。为工程应用过程中评价硅片磨削工艺，提高硅片减薄水平，提供了手段。