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题名面向超薄硅晶圆精密磨削工艺的内部残余应力分析
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作者
熊正权
窦筠雯
陈颖
高能
黄银
朱旻昊
冯雪
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机构
西南交通大学材料科学与工程学院
西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室
西南交通大学机械工程学院
西南交通大学摩擦学研究所
清华大学柔性电子技术实验室
清华大学航天航空学院
浙江清华柔性电子技术研究院
电子科技大学材料与能源学院
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出处
《表面技术》
北大核心
2025年第2期161-172,共12页
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基金
国家自然科学基金(11972027,U20A6001)
西南交通大学新型交叉学科培育基金项目(2682022JX001)。
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文摘
目的硅基集成电路的超薄化(通常厚度≤50μm)是高性能集成器件实现柔性化的关键,同时也满足了器件先进封装的需求。背面精密磨削是低成本、大规模制造超薄硅基集成电路的重要技术路径。然而,随着厚度的降低,本征硬脆的硅基器件的机械强度急剧下降,磨削的难度也极大增加。此外,当器件的厚度接近甚至低于有源层厚度(约为15μm)时,磨削过程中产生的缺陷和内部残余应力将严重影响超薄器件的性能和良品率。因此,控制磨削过程的缺陷和内部残余应力是突破超薄柔性硅基集成电路制备技术的关键,非常有必要深入分析超薄硅晶圆精密磨削产生的内部残余应力,建立起工艺参数与内部残余应力之间的定量关系。方法针对精密磨削工艺,基于磨轮与硅晶圆的几何运动学关系,将磨轮进给率对磨削过程的影响转变为对等效磨削深度的影响,建立了硅晶圆在单颗磨粒单次和多颗磨粒多次磨削下的有限元局部模型,探讨了工艺参数(磨轮转速、磨轮进给率、磨粒尺寸)、磨粒数量和磨削次数对磨削后的表面质量和内部残余应力的影响,开展了12英寸硅晶圆的自旋转精密磨削实验验证仿真。结果硅晶圆精密磨削后的内部残余应力主要集中于距离硅片表面约50nm处,并沿深度方向快速减小。降低磨轮进给率和减小磨粒尺寸可以有效降低内部残余应力,提高表面质量。使硅片磨削后的表面及内部区域近似处于等双轴压缩应力状态,当磨轮进给率为0.5、0.35和0.2μm/s时,通过激光共聚焦显微拉曼光谱仪测得残余应力分别为(-185±33)、(-216±25)和(283±41)MPa,多颗磨粒多次磨削有限元仿真获得的残余应力分别为(-127±32)、(-171±43)和(-221±55)MPa,二者吻合较好。结论将磨轮进给率转变为等效磨削深度后,建立的多颗磨粒多次精密磨削有限元模型可以有效预测硅晶圆自旋转精密磨削的内部残余应力,为硅基集成电路薄化工艺的开发和优化提供了指导。
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关键词
硅晶圆
超薄
精密磨削
内部残余应力
有限元仿真
显微拉曼实验
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Keywords
silicon wafer
ultra-thin
precision grinding
internal residual stress
finite element simulation
micro-Raman experiment
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分类号
TG580.6
[金属学及工艺—金属切削加工及机床]
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