超薄石英玻璃晶圆双面抛光过程中破裂的探究

李怀阳 花宁 隋镁深

（中建材衢州金格兰石英有限公司，浙江 衢州 324000）

1 引言

石英玻璃晶圆因具有化学纯度高、抗热膨胀和热冲击性能强、抗拉强度高、耐辐射性能高、光传输效果好等一系列优点，被广泛应用于半导体产业，常用于光刻环节，也是MEMS及CMOS等传感器中的重要组成部分。2017年全球半导体用玻璃晶圆销量达到4.9亿美元，在未来五年将以每年6%的增速持续发展[1]。随着新型电子设备小型化及芯片制造量产化的发展趋势，厚度更薄尺寸更大的石英玻璃晶圆正成为半导体厂商采购的热点。我公司从事石英玻璃晶圆产品加工多年，长期出口欧洲半导体厂商，目前下游客户厂商产品采购侧重正从厚度0.5mm的薄片石英玻璃晶圆向厚度0.3mm以下的超薄石英玻璃晶圆发展。

双面抛光过程为石英玻璃晶圆机械加工的最后一步，也是加工周期最长、控制产品质量最为关键的一步。双面抛光后的石英玻璃晶圆产品表面缺陷主要包括麻点、划伤、崩边、裂纹、破碎几方面。麻点及划伤可以主要通过对抛光环境进行控制来避免，也可以进一步修复。而崩边、裂纹、破碎（下文统称破裂）这类不可修复缺陷的出现，主要是由于双面抛光设备施加压力和运转速度不当造成的，一旦出现此类缺陷，产品无法修复只能报废。因此超薄石英玻璃晶圆加工难点主要集中在降低破裂缺陷，提高成品率方面。

为在保证生产效率的前提下提高石英玻璃晶圆加工精度和成品率，本文通过对石英玻璃晶圆破裂的受力分析及生产实验过程中的统计结果两方面进行分析，主要对石英玻璃晶圆在双面磨抛过程中出现破裂现象的原因以及如何避免进行了探究。

2 实验

双面抛光过程当中造成石英玻璃晶圆破裂的主要影响工艺参数为双面抛光机的转速和双面抛光机上盘施压，因此将上盘施压与下盘转速设定为本实验主要变量。根据以往石英玻璃晶圆抛光加工经验，选取下盘转速16、18、20、22、24rpm，上盘数显压力（轻压）0.2、0.4、0.6、0.8、1bar作为实验变量。实验中为降低抛光设备运行产生的震动干扰因素，采取对双面抛光机上盘固定的方法进行抛光。

实验样品材料本公司生产的JGS2石英玻璃，经切割、滚圆、粗磨、倒角、细磨后制成直径100mm，厚度为0.35mm的精磨片。实验所用抛光设备为湖南宇晶机器股份有限公司生产的13B-5L双面抛光机，抛光机上盘重量135kg，太阳轮速度与下盘（定盘）速度速比为1∶2。抛光液为法国罗地亚CEROX2660型氧化铈抛光粉加纯水配制。抛光介质采用美国环球LP-10型聚氨酯抛光垫。每批抛光晶圆数量20片，抛光磨削量0.05mm。抛光结束后对不同转速和施加压力条件下的抛光作业时间（加工时间）进行记录，并对产品的破裂缺陷情况进行全检，将完全不存在破裂缺陷的产品记做合格成品，进而计算产品成品率。

3 结果与分析

3.1 破裂缺陷的确定

石英玻璃晶圆的破裂缺陷主要包括崩边、裂纹、破碎三种。图1为光学显微镜放大50倍的石英玻璃晶圆破裂缺陷照片：其中图1（a）所示的崩边通常是长度超过0.3mm的肉眼可视边缘断裂或缺口；裂纹则往往是在崩边的基础之上进一步扩展形成，如图1（b）所示；存在裂纹的晶圆如继续加工或使用极易在受力情况下破碎，如图1（c）所示。因此在石英玻璃晶圆整套加工过程中，通常一旦出现崩边即认定为次品，不再进行后续加工。

图1 石英玻璃晶圆破裂缺陷

3.2 破裂缺陷的产生原因

在双面抛光过程当中，晶圆的运动状态决定于上盘转速、下盘转速、太阳轮转速以及其承受各种作用力，晶圆在游星轮的带动下做行星运动与自转运动的合成复杂运动。所以纯粹的研究双面抛光过程中的石英玻璃晶圆的整体受力状况是一件极为复杂的事情。但从实际生产过程当中的统计结果可以得知，石英玻璃晶圆的破裂缺陷总是首先从晶圆边缘处出现。因此，石英玻璃晶圆的破裂临界值取决于其边缘强度。对石英玻璃晶圆边缘处进行的局部受力分析，可以从一定程度上解释破裂缺陷产生的主要原因。

图2 石英玻璃晶圆倒角示意图

无论是在加工还是在使用过程当中，石英玻璃晶圆的边缘的强度都是值得注意的地方。因此，在生产过程中通常会对石英玻璃晶圆的边缘进行如图2所示的保护性倒角处理，合适的倒角工艺能够有效提高晶圆边缘强度[2]。即便如此，在不当的生产工艺和严格的使用环境下，石英玻璃晶圆的破裂缺陷还是会在倒角处出现。图3（a）中对选取的晶圆倒角处单位面积为A 的局部位置进行了受力分析。其中，θ为倒角角度；F1为单位面积A处晶圆承受的垂直方向作用力；F2为单位面积A处晶圆承受的水平方向作用力。在双面抛光过程中，F1主要源自于双面抛光机上盘施加的压力，F2则主要是晶圆在转动过程中向心力与游星轮对其反向作用力的合力。

图3 石英玻璃晶圆局部受力分析

在图3（b）和图3（c）中，分别对F1和F2进行受力分解，将其分别分解为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。对于单位面积A处的晶圆，其所承受的正向力和切向力的合力：

因此，在单位面积A处的晶圆承受的正应力σ和切应力τ分别为：

由公式（3）和（4）可以得知，石英玻璃晶圆在双面抛光过程中破裂的主要原因是由于其边缘所承受的切应力和正应力超过晶圆机械强度极限。在超薄石英玻璃晶圆的加工过程中，由于晶圆厚度极小（通常小于0.3mm），其保护性倒角的总面积也随之锐减。所以在受力和运动状态相同的情况下，由于超薄石英玻璃晶圆单位面积A远小于普通晶圆，因此其承受的正应力和切应力也随之大幅提高，极易超出晶圆机械强度极限，从而造成破裂缺陷的产生。

3.3 抛光工艺的确定

在本实验过程中，分别对上盘施加轻压0.2、0.4、0.6、0.8、1bar的状态下下盘转速为16、18、20、22、24rpm的抛光成品进行了成品率检验，图4为根据检测统计结果绘制的不同压力状态下下盘转速对成品率的影响。

图4 下盘转速对成品率的影响

由图4可以看出，在固定压力的情况下，随着下盘转速的提高，产品成品率呈现出下降趋势。在下盘转速超过20rpm之后，成品率下降程度逐渐明显。在下盘转速超过22rpm之后，无论在何种压力状态下进行加工，超薄石英玻璃晶圆的成品率均无法达到实际生产要求（95%）。由图4还可以看出，当上盘施加轻压为0.2bar时，无论在何种转速条件下进行加工，产品成品率均未能超过95%。

从首先保障成品率的角度出发，只考虑成品率超过95%的实验记录点。为找寻在满足成品率的条件下加工效率最快的工艺条件，根据检测统计结果绘制图5，分析在不同转速条件上盘施压对加工时间的影响。

图5 上盘施压对加工时间的影响

由图5可以看出，随着双面抛光机上盘对晶圆施加轻压的提高（上盘对晶圆施加压力的大小随轻压的提高而降低），产品加工时间不断增加。图5中加工时间最小的点对应的工艺参数为转速20rpm、轻压0.4bar。由此可以得知，对于本实验选用规格的超薄石英玻璃晶圆的加工来说，当双面抛光机下盘转速为20rpm，上盘施加轻压0.4bar时能够在避免破裂缺陷的同时实现最快加工速度。

需要注意的是，本实验选取的4英寸超薄石英玻璃晶圆为现今市场常见规格中最小直径尺寸的产品，为充分降低破裂风险，对于6英寸、8英寸等更大直径尺寸的超薄石英玻璃晶圆的抛光还应选择更低水平的转速及压力。

3.4 破裂缺陷的避免

设备转速和施加压力对石英玻璃晶圆破裂产生的影响主要体现在晶圆承受的垂直和水平方向作用力之上。过快的转速使得运动中的晶圆承受更大的向心力与游星轮的反向作用力，但设备转速的降低势必导致抛光效率的下降。在实验过程中发现，在施加压力不变的情况下转速的提高更容易导致晶圆崩边缺陷的产生。

施加压力的增加不仅能够直接提高抛光磨料磨削效率，还能够间接通过摩擦起热的形式提高抛光温度，从而通过有效促进化学机械抛光（CMP）反应速度的形式来提升抛光速度[3]。但从实验结果来看，在转速不变的条件下，上盘施加过大的压力是晶圆裂纹和破碎缺陷产生的主要原因。

为避免崩边缺陷的产生，在对设备转速进行合理调控的前提之下，还需关注游星轮的材质及孔位设计。为避免裂纹和破碎缺陷的产生，除对设备施压合理调控之外，还应注意从避免设备震动、保持良好磨盘面型等方面降低局部过大压力的出现。

4 结论

1）超薄石英玻璃晶圆在双面抛光过程中破裂的主要原因是由于其边缘所承受的切应力和正应力超过晶圆机械强度极限。

2）由于对超薄石英玻璃晶圆进行保护性倒角的面积大幅减小，导致其在加工过程中比常规晶圆承受更大的应力。

3）裂纹和破碎往往是在崩边的基础之上进一步扩展形成。

4）当设备下盘转速高于22rpm或施加轻压小于0.2bar时，超薄石英玻璃晶圆破裂比例大幅提高。

5）当双面抛光机下盘转速为20rpm、施加轻压0.4bar时能够在避免破裂缺陷的同时实现最快加工速度。

5 展望

中国是全球半导体消费最大的国家，但我国半导体芯片严重依赖进口。玻璃晶圆是半导体加工过程当中的重要基础性材料，但目前全球玻璃晶圆市场基本被肖特、康宁、旭硝子等欧美日企业所垄断。目前国内大型半导体厂商对玻璃晶圆的采购侧重点也倾向于进口产品。近期中美贸易战愈演愈烈，石英玻璃晶圆的国产化变得更为重要。随着近年来国内外市场形势的变化与我国政府扶持力度的不断提高，相信通过国内科技工作者的不断努力，在不远的将来我国半导体行业一定会迎来突飞猛进的发展时代。