減薄晶圓損傷層殘餘應力和力學性能測量方法研究

《減薄晶圓損傷層殘餘應力和力學性能測量方法研究》是依託北京工業大學，由陳沛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：減薄晶圓損傷層殘餘應力和力學性能測量方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳沛
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

積體電路 (IC) 晶片在提高集成度的同時，也在朝著輕薄化方向發展。晶片基底材料矽的減薄是成功產業化輕薄IC晶片、3D IC晶片的核心技術之一。晶圓在減薄過程中所造成的表面損傷會導致晶圓力學性能下降，並引入殘餘應力導致晶圓翹曲，最終影響晶圓的加工性能。然而減薄晶圓殘餘應力和力學性能的測量技術還不完善，不能對晶圓質量進行完整評估。本項目擬改進薄膜鼓泡法測試，將其套用於測量減薄晶圓殘餘應力和力學性能（包括斷裂強度和楊氏模量）。為解釋減薄損傷對殘餘應力和力學性能的影響機理，本項目將運用掃描電鏡 (SEM)、透射電鏡 (TEM)和拉曼光譜法觀測損傷層微觀結構，研究損傷層微觀結構形成規律。然後通過分析減薄工藝參數對損傷層形成過程的影響，研究減薄工藝參數對殘餘應力和力學性能的作用規律。最後進行減薄工藝參數最佳化，實現對損傷層的有效控制，達到降低減薄晶圓殘餘應力並提高力學性能的目標。

結題摘要

矽晶圓旋轉磨削減薄技術具有高效率和高精度的優點，已成為主流的矽晶圓減薄技術。然而，在磨削過程中，磨粒的機械切削作用不可避免造成矽晶圓表面損傷。損傷會降低矽晶圓強度，引起矽晶圓變形，增加矽晶圓的傳輸難度，降低磨削加工效率，還會降低後續封裝產品的可靠性。因此，研究矽晶圓磨削損傷分布規律及其形成機理對於降低磨削損傷、提高磨削效率和後續封裝產品的良率有重要意義。 本項目採用實驗研究、分子動力學模擬和理論分析相結合的方法，系統研究了矽晶圓磨削損傷及其形成機理研究了矽晶圓的損傷形式、損傷形成機理和損傷規律。本項目首先研究了在粗磨和精磨過程中，砂輪轉速、砂輪進給速率和晶圓轉速對表面粗糙度、亞表面裂紋深度和殘餘應力、斷裂強度的影響規律。 基於實驗結果，提出並建立了矽晶圓磨削過程的磨削力預測模型。以單顆磨粒為研究對象，計算單顆磨粒切削時的摩擦力和切屑形成力。結合有效磨粒數量，建立了矽晶圓磨削過程的磨削力預測模型。模型綜合考慮了磨削工藝參數、晶向和矽晶圓徑向距離對磨削力的影響。接下來，基於磨削深度預測理論和納米劃痕實驗結果，建立了亞表面裂紋深度預測模型。建立了表面粗糙度和磨削參數的理論模型。採用Rayleigh機率密度函式來定量描述磨痕的分布，通過考慮磨粒重疊和砂輪變形計算得到了平均磨痕深度。根據粗糙度Ra與磨痕深度的關係，建立了表面粗糙度預測模型。採用分子動力學的方法，研究了納米磨削過程中損傷層相變機理和損傷層深度，並對損傷層自身進行了拉伸試驗模擬，發現其斷裂強度和斷裂韌性比未損傷矽材料有超過40%的衰減。通過分析殘餘應力沿深度方向的分布，發現沿深度方向存在著從壓應力向拉應力轉換的規律。並通過測算損傷相變層在相變後的體積減小，揭示了相變體積變化是引起殘餘應力分布的主要原因。