CN112548883A - 研磨砂轮及研磨设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种研磨砂轮及研磨设备，属于半导体技术领域。研磨砂轮，包括：砂轮基体；位于所述砂轮基体一侧的表面上的研磨层，所述研磨层由研磨颗粒、粘结剂、气孔和添加剂组成，所述研磨颗粒的硬度小于金刚石颗粒，且所述研磨颗粒能够与二氧化硅和/或硅发生化学反应。研磨设备安装使用本研磨砂轮，研磨过程中通过机械摩擦能、化学能、热能的综合作用对硅片表面进行去除减薄。本发明能够减少对硅片表面的损伤，减少产品表面粗糙度，减少磨轮印，提高表面纳米形貌，从而提高产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是指一种研磨砂轮及研磨设备。
背景技术
目前硅是半导体领域主要的原材料，多晶硅经拉晶炉拉制出单晶硅棒，通过线切割把硅棒切为薄片，此时硅片表面状态差、粗糙度大、损伤层深、平坦度差，需要经过倒角、研磨、化学刻蚀等方法对硅片进行加工，提升平坦度，去除和减小损伤层，再送至抛光、清洗后出货。倒角是对硅片边缘进行打磨，去除边缘应力和达到一定的形状和硅片直径大小，研磨能快速去除硅片表面一层，减小损伤层，提高平坦度。刻蚀再次对硅片减薄和去除研磨的损伤层，但碱刻蚀会恶化平坦度、且存在污迹等增大了抛光工艺难度。双面精磨设备是在化学刻蚀后用金刚石砂轮，对硅片表面进行打磨，可有效提高平坦度和厚度差异，大大减小了抛光的难度。
双面精磨工艺所用的是双面精磨设备，该设备是机械手取片将硅片放在定位台上定位后进行背面清洗，然后传送到真空吸盘，经水冲洗后转到主轴下用金刚石磨轮打磨，完成后清洗干燥装入片盒，等整合第一面加工完成后，重复上述步骤加工第二面。如此，完成硅片的双面精磨工艺。金刚石砂轮由研磨用的牙齿和固定牙齿所用的基体组成，金刚石砂轮牙齿多由人造金刚石颗粒、粘结剂和气孔组成。金刚石砂轮磨削效率高、精度好、使用寿命长，但是打磨过程中会造成硅片表面损伤、磨轮印、微裂纹、和位错等损伤，后面还需要化学刻蚀共续去除损伤层。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种研磨砂轮及研磨设备，能够减少对硅片表面的损伤，减少磨轮印，提高表面粗糙度。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供一种研磨砂轮，包括：
砂轮基体；
位于所述砂轮基体一侧的表面上的研磨层，所述研磨层由研磨颗粒、粘结剂、气孔和添加剂组成，所述研磨颗粒的硬度小于金刚石颗粒，且所述研磨颗粒能够与二氧化硅和/或硅发生化学反应。
一些实施例中，所述研磨层的图形采用以下任一种：环形、椭圆形、圆形、扇形、方形、菱形。
一些实施例中，所述研磨层的图形内设置有***孔或***通道。
一些实施例中，所述研磨层的图形包括多个圆形，所述多个圆形阵列排布在所述砂轮基体的表面上，研磨层高度为1～20mm。
一些实施例中，所述研磨颗粒的材料选自以下至少一种：CBN、B4C、Al2O3、CeO2、Fe2O3、MgO。
一些实施例中，所述粘结剂为陶瓷结合剂或树脂结合剂。
一些实施例中，所述添加剂采用强氧化剂或者碱性氧化物。
一些实施例中，所述添加剂的材料选自以下至少一种：CaO、KMnO4、K2CrO4、CaCO3、ZnO、NaClO、Na2O。
一些实施例中，所述添加剂在所述研磨层中的体积百分比为0～50％，所述粘结剂在所述研磨层中的体积百分比为10％～40％，所述研磨颗粒在所述研磨层中的体积百分比为30％～75％，所述气孔在所述研磨层中的体积百分比为0～40％。
本发明的实施例还提供了一种研磨设备，包括如上所述的研磨砂轮。
本发明的实施例具有以下有益效果：
上述方案中，研磨层由硬度小于金刚石颗粒的研磨颗粒组成，还包括粘结剂、气孔和添加剂，研磨颗粒的硬度比较小，能够减少对硅片表面的损伤；另外，研磨颗粒能够与二氧化硅和/或硅发生化学反应，在研磨过程中，研磨层不断与硅片表面摩擦加压，在氧化和摩擦热的作用下，硅表面被氧化生成较软的二氧化硅氧化膜，通过研磨颗粒与二氧化硅或硅摩擦、挤压碰撞、热作用，使得研磨颗粒、添加剂、硅、二氧化硅发生氧化反应和固相化学反应等反应，再通过机械摩擦作用将软质氧化膜或者反应生成物去掉，减小了研磨颗粒直接对硅片的切削、研磨作用，从而减小了硅片表面的损伤层和残余应力。
附图说明
图1为相关技术中金刚石砂轮的结构示意图；
图2为本发明实施例研磨砂轮的截面示意图；
图3和图4为本发明实施例研磨砂轮的平面示意图；
图5和图6为本发明实施例利用研磨砂轮对硅片进行研磨的示意图。
附图标记
01金刚石砂轮；011砂轮基体；012金刚石砂轮牙齿；
02研磨砂轮；021砂轮基体；022研磨层；
03真空吸盘；04硅片。
具体实施方式
为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前硅片经线切割后，进行快速研磨，倒角，化学刻蚀，抛光，清洗等工序。抛光过程中多应用化学机械抛光和摩擦化学抛光。而研磨是使用带颗粒的研磨液，通过上下定盘施压，对硅片表面进行机械研磨去除，只靠单一的机械摩擦和切削，破坏硅片间原子力，这就会必然导致硅片表面损伤、位错、微裂纹和应力。
相关技术中，双面精磨所用磨轮为杯型金刚石砂轮，如图1所示，金刚石砂轮01包括砂轮基体011和金刚石砂轮牙齿012，金刚石砂轮牙齿012由金刚石颗粒、粘结剂和气孔组成。金刚石砂轮为金刚石颗粒和胶烧结而成，再粘接在基体铝合金台筋上，金刚石砂轮价格贵，研磨单片成本高。另外，打磨过程中会造成硅片表面损伤、磨轮印、微裂纹和位错等损伤，后面还需要化学刻蚀去除损伤层；再者，金刚石砂轮牙齿012如果比较短，会导致金刚石砂轮的寿命短，金刚石砂轮牙齿012如果比较长，加工过程中易折断崩落造成金刚石砂轮报废。
本发明实施例提供一种研磨砂轮02，如图2-图4包括：
砂轮基体021；
位于所述砂轮基体021一侧的表面上的研磨层022，所述研磨层022由研磨颗粒、粘结剂、气孔和添加剂组成，所述研磨颗粒的硬度小于金刚石颗粒，且所述研磨颗粒能够与二氧化硅和/或硅发生化学反应。
其中，研磨层022高度为1～20mm。
本实施例中，研磨层由硬度小于金刚石颗粒的研磨颗粒组成，还包括粘结剂、气孔和添加剂，研磨颗粒的硬度比较小，能够减少对硅片表面的损伤；另外，研磨颗粒能够与二氧化硅和/或硅发生化学反应，在研磨过程中，研磨层不断与硅片表面摩擦加压，在氧化和摩擦热的作用下，硅表面被氧化生成较软的二氧化硅氧化膜，通过研磨颗粒与二氧化硅或硅摩擦、挤压碰撞、热作用，使得研磨颗粒、添加剂、硅、二氧化硅发生氧化反应和固相化学反应等反应，再通过机械摩擦作用将软质氧化膜或者反应生成物去掉，减小了研磨颗粒直接对硅片的切削、研磨作用，从而减小了硅片表面的损伤层和残余应力。
本实施例采用研磨颗粒取代昂贵的金刚石颗粒，能够降低研磨砂轮的成本；另外，本实施例通过研磨砂轮与硅片表面的机械摩擦和化学品的化学作用以及热作用进行研磨，可大大减小硅片表面的损伤层和残余应力，提升硅片表面质量，减小微裂纹和表面粗糙度。另外，本实施例通过化学作用和研磨层与硅片之间的轻微摩擦相互作用，可去除磨轮印使硅片表面状态成镜面，提升硅片的表面状态和品质。
一些实施例中，所述研磨层的图形采用以下任一种：环形、椭圆形、圆形、扇形、方形、菱形。相比金刚石砂轮牙齿012，本实施例的研磨层022的图形的面积更大，使得研磨接触面积更大，接触和研磨过程更平稳，磨削层厚度更厚，并且可以提升研磨砂轮02的使用寿命。
一些实施例中，所述研磨层的图形内设置有***孔或***通道，这样可以排出研磨过程中产生的废液。
一具体实施例中，如图3所示，研磨层022的图形为环形；另一具体实施例中，如图4所示，所述研磨层022的图形包括多个圆形，所述多个圆形阵列排布在所述砂轮基体021的表面上。当然，图3和图4仅为示例，研磨层022的图形还可以为其他块状。
本实施例是改进研磨砂轮的材料和结构，研磨过程综合机械作用、化学作用、热作用的多能量复合作用，通过压力、摩擦力、化学、物理等综合效果和能量，以达到破坏硅片的Si-Si的原子力从而达到去除加工的目的。本实施例中，研磨层主要由研磨颗粒、粘结剂、气孔、化学添加剂组成。
一些实施例中，所述研磨颗粒的材料选自以下至少一种：CBN、B4C、Al2O3、CeO2、Fe2O3、MgO。
一些实施例中，所述粘结剂为陶瓷结合剂或树脂结合剂，用以将研磨颗粒进行粘结固定。
添加剂主要是能够促进与硅进行物理、化学反应，可以采用催化剂、氧化剂。添加剂还可以提高研磨砂轮的特性，如硬度、消耗量、耐热、气孔***等性能。一些实施例中，所述添加剂采用强氧化剂或者碱性氧化物。
一些实施例中，所述添加剂的材料选自以下至少一种：CaO、KMnO4、K2CrO4、CaCO3、ZnO、NaClO、Na2O。
一些实施例中，所述添加剂在所述研磨层中的体积百分比为0～50％，所述粘结剂在所述研磨层中的体积百分比为10％～40％，所述研磨颗粒在所述研磨层中的体积百分比为30％～75％，所述气孔在所述研磨层中的体积百分比为0～40％。
研磨过程中，研磨层不断与硅片表面摩擦加压，在氧化和摩擦热的作用下，硅表面被氧化生成较软的二氧化硅氧化膜，再通过研磨层的研磨颗粒与二氧化硅或硅摩擦、挤压碰撞、热作用，使得研磨颗粒、添加剂、硅、二氧化硅发生氧化反应和相化学反应等作用，再通过机械摩擦作用将软质氧化膜或者反应生成物去掉，减小了研磨颗粒直接对硅片的切削、研磨作用，从而减小硅片表面损伤层和残余应力。在研磨过程中，研磨层的自锐性，不断释放添加剂和不断漏出尖锐的研磨颗粒，保持恒定的去除速率。在研磨过程中同时可通入少量冷却液，冷却液可为弱碱性溶液和表面活性剂。
以研磨颗粒采用Fe2O3为例，其反应机理如下：
Si+O2----SiO2
SiO2+Fe2O3---Fe2SiO3+O2
即研磨过程中，硅发生氧化反应生成二氧化硅，二氧化硅与Fe2O3反应生成Fe2SiO3和氧气。
以研磨颗粒采用MgO，添加剂采用CaO为例，其反应机理如下：
MgO+CaO+Si---2CaO.SiO2+2Mg
2Mg+O2----2MgO
Si+O2----SiO2
即研磨过程中，MgO、CaO与硅反应生成CaO.SiO2和Mg，Mg被氧化生成MgO，硅发生氧化反应生成二氧化硅。
以研磨颗粒采用CeO2为例，其反应机理如下：
2(CeO2)+2e----2(CeO2)–
Si+O2---(SiO)2++2e----SiO2
2(CeO2)–+(SiO)2+---Ce2O3.SiO2
即研磨过程中，硅发生氧化反应生成二氧化硅，CeO2能够与二氧化硅发生化学反应。
一具体实施方式中，研磨颗粒可以采用5000目的MgO，CaO，Fe2O3；添加剂采用CaO，KMnO4，NahCO3；粘结剂采用树脂；研磨颗粒：添加剂：粘合剂：气孔的体积比为4：3：2：1，混合均匀后，称重固化成型，二次固化后粘接在砂轮基体上，进行动平衡调整，质量检查。然后安装在设备上进行研磨测试，与现有金刚石砂轮对比。加工条件如下：
在显微镜下观察研磨后的硅片表面状态，发现金刚石砂轮研磨后的硅片表面具有明显的磨轮印，类似风车形状划痕。本实施例的研磨砂轮打磨后的硅片表面，无明显磨轮印、无裂纹、Dimple缺陷，表面粗糙度也小于金刚石砂轮研磨后的硅片。
另一具体实施方式中，研磨颗粒可以采用5000目的MgO，CaO，Fe2O3，5000目的Al2O3和SiC颗粒；添加剂采用CaO,KMnO4，ZnO，NaHCO3；粘结剂采用树脂；研磨颗粒：添加剂：粘合剂：气孔的体积比为4.5：2.5：1.5：1.5，混合均匀，称重固化成型，二次固化后粘接在砂轮基体上，进行动平衡调整，质量检查。然后安装在设备上进行研磨测试，与现有金刚石砂轮对比。加工条件如下：
在显微镜下观察研磨后的硅片表面状态，发现金刚石砂轮研磨后的硅片表面具有明显的磨轮印，类似风车形状划痕。本实施例的研磨砂轮打磨后的硅片表面，无明显磨轮印、无裂纹、Dimple缺陷，表面粗糙度也小于金刚石砂轮研磨后的硅片。
本发明的实施例还提供了一种研磨设备，包括如上所述的研磨砂轮。如图6所示，在采用研磨设备对硅片进行研磨时，利用真空吸盘03吸附硅片04，然后利用本实施例的研磨砂轮02对硅片04进行研磨。
如图5所示，首先在机械接触期将研磨砂轮02与硅片04接触，之后进入表面活化氧化反应期和表面氧化反应层生产期，最后进入反应物摩擦去除期。
本实施例中，研磨层由硬度小于金刚石颗粒的研磨颗粒组成，还包括粘结剂、气孔和添加剂，研磨颗粒的硬度比较小，能够减少对硅片表面的损伤；另外，研磨颗粒能够与二氧化硅和/或硅发生化学反应，在研磨过程中，研磨层不断与硅片表面摩擦加压，在氧化和摩擦热的作用下，硅表面被氧化生成较软的二氧化硅氧化膜，通过研磨颗粒与二氧化硅或硅摩擦、挤压碰撞、热作用，使得研磨颗粒、添加剂、硅、二氧化硅发生氧化反应和固相化学反应等反应，再通过机械摩擦作用将软质氧化膜或者反应生成物去掉，减小了研磨颗粒直接对硅片的切削、研磨作用，从而减小了硅片表面的损伤层和残余应力。
本实施例采用研磨颗粒取代昂贵的金刚石颗粒，能够降低研磨砂轮的成本；另外，本实施例通过研磨砂轮与硅片表面的机械摩擦和化学品的化学作用以及热作用进行研磨，可大大减小硅片表面的损伤层和残余应力，提升硅片表面质量，减小微裂纹和表面粗糙度。另外，本实施例通过化学作用和研磨层与硅片之间的轻微摩擦相互作用，可去除磨轮印使硅片表面状态成镜面，提升硅片的表面状态和品质。
需要说明，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于实施例而言，由于其基本相似于产品实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见产品实施例的部分说明即可。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种研磨砂轮，其特征在于，包括：
砂轮基体；
位于所述砂轮基体一侧的表面上的研磨层，所述研磨层由研磨颗粒、粘结剂、气孔和添加剂组成，所述研磨颗粒的硬度小于金刚石颗粒，且所述研磨颗粒能够与二氧化硅和/或硅发生化学反应。
2.根据权利要求1所述的研磨砂轮，其特征在于，所述研磨层的图形采用以下任一种：环形、椭圆形、圆形、扇形、方形、菱形。
3.根据权利要求1或2所述的研磨砂轮，其特征在于，所述研磨层的图形内设置有***孔或***通道。
4.根据权利要求2所述的研磨砂轮，其特征在于，所述研磨层的图形包括多个圆形，所述多个圆形阵列排布在所述砂轮基体的表面上。
5.根据权利要求1所述的研磨砂轮，其特征在于，所述研磨颗粒的材料选自以下至少一种：CBN、B4C、Al2O3、CeO2、Fe2O3、MgO。
6.根据权利要求1所述的研磨砂轮，其特征在于，所述粘结剂为陶瓷结合剂或树脂结合剂。
7.根据权利要求1所述的研磨砂轮，其特征在于，所述添加剂采用强氧化剂或者碱性氧化物。
8.根据权利要求7所述的研磨砂轮，其特征在于，所述添加剂的材料选自以下至少一种：CaO、KMnO4、K2CrO4、CaCO3、ZnO、NaClO、Na2O。
9.根据权利要求1所述的研磨砂轮，其特征在于，所述添加剂在所述研磨层中的体积百分比为0～50％，所述粘结剂在所述研磨层中的体积百分比为10％～40％，所述研磨颗粒在所述研磨层中的体积百分比为30％～75％，所述气孔在所述研磨层中的体积百分比为0～40％。
10.一种研磨设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的研磨砂轮。
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