阅读说明：本技术 一种大尺寸硅圆片减薄装置及其减薄工艺 (Large-size silicon wafer thinning device and thinning process thereof ) 是由 裴坤羽 祝斌 刘蛟龙 武卫 孙晨光 刘建伟 王聚安 由佰玲 刘园 谢艳 杨春雪 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种大尺寸硅圆片减薄装置,包括用于放置硅圆片的载体座、用于放置左砂轮的左砂轮座以及用于放置右砂轮的右砂轮座,所述载体座、所述左砂轮座和所述右砂轮座同轴设置,所述左砂轮座和所述右砂轮座对称设置在所述载体座两侧且与所述载体座并行设置。本发明还提出一种大尺寸硅圆片减薄工艺。本发明尤其是适用于对尺寸直径为280-320mm的硅圆片进行立式双面减薄,结构设计合理且简单,不仅可对硅圆片两侧面同时同步进行磨削,而且各结构配合可控,拆装保养简单,省时省力,保证硅圆片双面减薄的平整度和稳定性,提升工作效率。(The invention provides a large-size silicon wafer thinning device which comprises a carrier seat for placing a silicon wafer, a left grinding wheel seat for placing a left grinding wheel and a right grinding wheel seat for placing a right grinding wheel, wherein the carrier seat, the left grinding wheel seat and the right grinding wheel seat are coaxially arranged, and the left grinding wheel seat and the right grinding wheel seat are symmetrically arranged on two sides of the carrier seat and are arranged in parallel with the carrier seat. The invention also provides a large-size silicon wafer thinning process. The vertical double-side thinning machine is particularly suitable for vertical double-side thinning of silicon wafers with the size diameter of 280-320mm, has reasonable and simple structural design, can simultaneously and synchronously grind the two side surfaces of the silicon wafers, has controllable matching of all structures, is simple to disassemble, assemble and maintain, saves time and labor, ensures the flatness and stability of double-side thinning of the silicon wafers, and improves the working efficiency.)

一种大尺寸硅圆片减薄装置及其减薄工艺

技术领域

本发明属于半导体单晶硅磨削技术领域，尤其是涉及一种大尺寸硅圆片减薄装置及其减薄工艺。

背景技术

现有硅圆片逐渐向大尺寸化和薄片化发展，常规的小尺寸硅圆片有化学减薄和机械减薄两种。化学减薄就是通过用化学试剂与硅片表层发生反应，进而对硅片进行减薄。而对于大尺寸硅圆片由于尺寸面积较大，需要的化学试剂槽尺寸有限，且相互叠放的硅圆片无法被化学试剂完全腐蚀，容易导致减薄不均匀，成品率较低。机械减薄就是利用砂轮打磨硅圆片表面，通常由单个砂轮打磨完一面，硅圆片翻面后再加工另一面；这种减薄方式对于大尺寸硅圆片而言，单面加工时间较长，而且无法保证两面几何参数的一致性，不仅产能低而且产品表面质量不稳定，无法适应现有生产需求。

发明内容

本发明提供一种大尺寸硅圆片减薄装置及其减薄工艺，尤其是适用于尺寸直径为280-320mm的硅圆片，解决了现有生产技术中减薄结构设计不合理导致减薄后的硅圆片双面几何参数不一致、表面质量不稳定且生产效率低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种大尺寸硅圆片减薄装置，包括用于放置硅圆片的载体座、用于放置左砂轮的左砂轮座以及用于放置右砂轮的右砂轮座，所述载体座、所述左砂轮座和所述右砂轮座同轴设置，所述左砂轮座和所述右砂轮座对称设置在所述载体座两侧且与所述载体座并行设置。

进一步的，所述载体座、所述左砂轮座和所述右砂轮座均为圆型结构且直径相同；所述载体座竖直放置。

进一步的，所述载体座内侧设有与所述硅圆片直径相适配的放置孔，在所述放置孔边缘任意位置处设有V型凸台，所述V型凸台顶端朝所述放置孔中心设置。

进一步的，所述载体座靠近所述左砂轮座一侧设有向内沿深的阶梯槽，靠近所述右砂轮座一侧设有内齿轮，所述阶梯槽和所述内齿轮相对于所述放置孔对称设置。

进一步的，所述左砂轮座包括同轴设置的第一左盘和第二左盘，所述第一左盘远离所述载体座设置；所述左砂轮置于所述第二左盘远离所述第一左盘一侧。

进一步的，所述右砂轮座包括同轴设置的第一右盘和第二右盘，所述第一右盘远离所述载体座设置；所述右砂轮置于所述第二右盘远离所述第一右盘一侧；在所述第二右盘上设有与所述外齿轮相啮合的外齿轮，所述外齿轮与所述右齿轮同轴设置。

进一步的，所述第二左盘外径和所述第二右盘外径均与所述放置孔内径相适配。

一种大尺寸硅圆片减薄工艺，包括采用如上所述的减薄装置，步骤包括如下：S1：对所述硅圆片进行粗磨减薄；S2：对所述硅圆片进行阶梯减薄；S3：对所述硅圆片进行精磨减薄；在减薄过程中，所述左砂轮座和所述右砂轮座反向同步同速旋转，所述载体座与所述右砂轮座同向旋转。

进一步的，所述S2包括第一阶段减薄和第二阶段减薄，所述左砂轮和所述右砂轮在所述第一阶段减薄中的进给速度大于在所述第二阶段减薄中的进给速度。

进一步的，在减薄过程中，所述硅圆片的转速始终不变。

本发明设计的大尺寸硅圆片减薄装置及减薄工艺，用于对大尺寸硅圆片立式双面同步进行磨削减薄，结构设计合理且简单，不仅可对硅圆片两侧面同时同步进行磨削，而且各结构配合可控，拆装保养简单，省时省力，无需其它辅助装置，加工后的硅圆片双面几何参数一致性好，且过程稳定，生产效率高，成品率高。使用本减薄装置获得的硅圆片，双侧减薄厚度均匀一致，表面平整度一致性好，减薄加工过程稳定，且工作效率高。

附图说明

图1是本发明一实施例的一种大尺寸硅圆片的结构示意图；

图2是本发明一实施例的A的放大图；

图3是本发明一实施例的一种大尺寸硅圆片减薄装置的***示意图；

图4是本发明一实施例的载体座的立体图；

图5是本发明一实施例的载体座靠近左砂轮一侧的俯视图；

图6是本发明一实施例的载体座靠近右砂轮一侧的俯视图；

图7是本发明一实施例的左砂轮座的立体图；

图8是本发明一实施例的左砂轮座的俯视图；

图9是本发明一实施例的右砂轮座的立体图；

图10是本发明一实施例的右砂轮座的俯视图。

图中：

10、硅圆片 11、V型凹槽 20、载体座

21、放置孔 22、V型凸台 23、阶梯槽

24、内齿轮 30、左砂轮座 31、第一左盘

32、第二左盘 33、第一凹槽 34、第二凹槽

40、右砂轮座 41、第一右盘 42、第二右盘

43、第三凹槽 44、第四凹槽 45、外齿轮

50、左砂轮 60、右砂轮

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提出一种大尺寸硅圆片，如图1所示，硅圆片10是经直径为280-320mm的单晶硅圆棒经金刚石线切割后获得的样片，该样片经磨削减薄后再依次经过抛光、清洗、喷涂印刷和切割后，最终制成所需要的半导体器件。其中，在硅圆片10的外圆周上设有一开口朝外设置的V型凹槽11，V型凹槽11用于与固定装夹硅圆片10磨削减薄装置中的V型凸台22相适配。V型凹槽11位于硅圆片10的直径上且V型凹槽11的顶端朝硅圆片10的中心设置，V型凹槽11相对于硅圆片10的直径对称设置且V型凹槽11的顶角为圆弧型结构。V型凹槽11的中心轴线位于任一硅圆片10的四个任一棱点上，即在硅圆棒四条棱线与硅圆片10相交的任一交点处，这一设置目的是防止硅圆片10出现裂痕或碎片，这是由于硅圆片10非硅圆棒棱线与硅圆片10相交处位错较多，若出现凹槽极易产生裂纹，导致碎片。

进一步的，如图2所示，V型凹槽11的顶角角度为89-95°，当顶角角度小于89°时，使得V型凹槽11宽度太窄，与其相适配的V型凸台22强度不够，夹装稳定性低，降低硅圆片10的竖直放置的安全风险；当顶角角度大于70°时，会使得硅圆片10被切断的横向宽度加大，不仅会提高硅圆片10横向应力，增加废片的风险，而且还会降低硅圆片10的利用率。优选地，V型凹槽11的顶角角度为90°，V型凹槽11的深度为1-1.5mm，优选地，深度为1.25mm，此时，V型凹槽11结构稳定，硅圆片10被切断的宽度与其高度相差较小，同时在保证硅圆片10能夹装放置的稳定下而且还能最大限度地提高硅圆片10的利用率。V型凹槽11的设置，不仅不会影响硅圆片10的整体使用，而且还便于与减薄装置配合固定，同时在保证不影响硅圆片10磨损减薄的情况下，其它结构的使用。

在本实施例中，硅圆片10的直径为280-320mm，其厚度为1500um，优选地，厚度为1000um。

一种大尺寸硅圆片减薄装置，如图3所示，包括用于放置硅圆片10的载体座20、用于放置左砂轮50的左砂轮座30以及用于放置右砂轮60的右砂轮座40，其中，载体座20、左砂轮座30和右砂轮座40均竖直放置且水平同轴，载体座20、左砂轮座30和右砂轮座40均为圆盘型结构且最大外形直径都相同，且左砂轮座30和右砂轮座40对称设置在载体座20的左右两侧且与载体座20中的硅圆片10并行设置。载体座20由外置架体固定，左砂轮座30和右砂轮座40分别设置在同一水平位置且对称设置的转轴上，所述架体和所述转轴的结构为本领域常规装置，为非本实施例重点，在此均省略其附图。

如图4-6所述，载体座20内侧设有与硅圆片10直径相适配的放置孔21，放置孔21置于载体座20的中心设置且位于厚度的中间位置，放置孔21的厚度与硅圆片10的厚度相同。在放置孔21的边缘任意位置处设有一V型凸台24，V型凸台24的顶端朝放置孔24的中心设置，V型凸台24相对于放置孔21的直径对称设置且V型凸台24的顶角为圆弧结构，与V型凹槽11的顶角相适配。

进一步的，V型凸台24的顶角角度为89-95°，当顶角角度小于89°时，使得V型凸台24宽度太窄，使其强度不够，夹装稳定性低，降低硅圆片10的竖直放置的安全风险；当顶角角度大于70°时，会使得硅圆片10被切断的横向宽度加大，不仅会提高硅圆片10横向应力，增加废片的风险，而且还会降低硅圆片10的利用率。优选地，V型凸台24的顶角角度为90°，V型凸台24的深度为1-1.5mm，优选地，深度为1.25mm，此时，V型凸台24结构稳定，硅圆片10被切断的宽度与其高度相差较小，同时在保证夹装硅圆片10放置的稳定下而且还能最大限度地提高硅圆片10的利用率。

如图5-6所示，载体座20靠近左砂轮座30一侧设有向内沿深的阶梯槽21，靠近右砂轮座40的一侧设有内齿轮22，阶梯槽21和内齿轮22相对于放置孔23对称设置，也即是阶梯槽21的深度和内齿轮22的齿宽相同，而且阶梯槽21内径与内齿轮22的顶切直径均大于放置孔23的内径，目的是避免干涉砂轮对硅圆片10的磨削。

如图7所示，左砂轮座30包括同轴设置的第一左盘31和第二左盘32，第一左盘31远离载体座20设置，第二左盘32靠近载体座20设置，第一左盘31远离第二左盘32的一侧与外接转轴连接，第一左盘31和第二左盘32可一体加工制造亦可固定连接设置，在此不再详述。第二左盘32的外径和放置孔21的内径相适配，也即是第二左盘32的外径与硅圆片10的直径相同。在第二左盘32远离第一左盘31的一侧设有用于固定左砂轮50的固定孔，左砂轮50位于第二左盘32的半径一侧，左砂轮50的外圆边略大于第一左盘31的外圆，如图8所述，左砂轮50的内圆小于第二左盘32的外径，且左砂轮50的直径为硅圆片10直径的一半。第二左盘32与左砂轮50的厚度大于阶梯槽22的深度，目的是防止载体座20与左砂轮座30出现干涉。在磨削过程中，硅圆片10相对与左砂轮50反向旋转，左砂轮50边旋转边进给，若左砂轮50的直径不等于硅圆片10直径的一半，则会导致硅圆片10厚度磨削不均匀，严重影响产品质量。左砂轮50为圆形设置的砂轮，市面上可购买到，在此省略。

如图8所示，在第一左盘31的外缘设有开口朝外设置的第一凹槽33，第一凹槽33为U型结构且沿第一左盘33直径向圆心设置，第一凹槽33的下端面为平面垂直于第一左盘33直径，第一凹槽33相对于第一左盘33直径对称设置。第一凹槽33的设置目的是与磨削装置的上端盖中的凸槽相适配(图省略)。第二左盘32的外缘设有开口朝外设置的第二凹槽34，第二凹槽34为大半圆形结构，位于第一凹槽33的正下方，且第一凹槽33、第二凹槽34和用于安装左砂轮50的固定孔都位于第二左盘32的中心轴线上，第二凹槽33与左砂轮50分别位于第二左盘32的直径两端。第二凹槽33与载体座20中的阶梯槽21为内切设置，第二凹槽33的设置与右砂轮座40的第四凹槽43的设置结构相同，第四凹槽43如图9中所示，均可固定安装设置与载体座20中的内齿轮22相啮合的外齿轮45。在本实施例中，第二凹槽33为空置设置，预留此位置是为了与载体座20中的内齿轮22相适配；因载体座20靠近左砂轮50的一侧为阶梯槽21，故第二凹槽33为空置的圆弧槽。

如图9所示，右砂轮座40包括同轴设置的第一右盘41和第二右盘42，第一右盘41远离载体座20设置，第一右盘41和第二右盘42的结构与第一左盘31和第二左盘32的结构和大小均一样，即，第一右盘41与第一左盘31的外径相同，在第一右盘41外缘设有开口朝外设置的第三凹槽43，第三凹槽43的结构和大小与第一凹槽33相同。第二右盘42的外径与放置孔21的内径相适配，即与硅圆片10的直径相同，右砂轮60固定设置在第二右盘42远离第一右盘41的一侧，右砂轮60的位置与左砂轮50的位置对位设置，且左砂轮60的大小和结构与左砂轮50相同，如图10所示。在第二右盘42外缘设有第四凹槽44，第四凹槽44的结构与第二凹槽34相同，在第四凹槽44中设有外齿轮45，外齿轮45与载体座20中的内齿轮22相啮合。第三凹槽43、第四凹槽44和右砂轮60都位于第二右盘42的中心轴线上，第四凹槽44与右砂轮60分别位于第二右盘42的直径两端。在本实施例中，第二右盘42与右砂轮60的厚度大于阶梯槽22的深度，且外齿轮45的齿宽不大于内齿轮23的齿宽，目的是保证内齿轮23与外齿轮45正常啮合的情况下，防止载体座20与右砂轮座40出现干涉。

本实施例的工作过程：硅圆片10放置在载体座20中的放置孔21中，左砂轮座30带动左砂轮50与硅圆片10的左侧面接触，右砂轮座40带动右砂轮60与硅圆片10的右侧面接触，同时设置在右砂轮座40上的外齿轮45与载体座20上的内齿轮23相啮合；左砂轮座30与右砂轮座40反向同步旋转，使得左砂轮50和右砂轮60反向同步旋转，右砂轮座40通过外齿轮45与内齿轮23啮合进而带动载体座20与右砂轮座40进行同向旋转，即硅圆片10与右砂轮60同向旋转，左砂轮50相对硅圆片10进行反向旋转；左砂轮座30和右砂轮座40分别带动左砂轮50和右砂轮60边旋转边进给，同步同侧对硅圆片10进行磨削加工，从而实现对硅圆片10两侧的同步减薄，进而保证硅圆片10两侧厚度磨削均匀，保证减薄厚度的一致性，相对于现有技术，不仅提高了减薄效率而且还保证两侧磨削质量，从而提高成品率，降低生产成本。

一种大尺寸硅圆片减薄工艺，采用如上所述的减薄装置，步骤包括如下：

S1：对硅圆片10进行粗磨减薄；

S2：对硅圆片10进行阶梯减薄；

S3：对硅圆片10进行精磨减薄；

在减薄过程中，用于固定左砂轮50的左砂轮座30和用于固定右砂轮60的右砂轮座40反向同步同速旋转，用于固定放置硅圆片10的载体座20与右砂轮座40同向旋转。由于硅圆片10是通过齿轮啮合来控制其速度，进而可知硅圆片10的转速不与砂轮的转速相同。

具体地，在S1的精磨减薄过程中，样片硅圆片10的厚度为定值，给定左砂轮50和右砂轮60的旋转速度，使左砂轮50和右砂轮60同步反向旋转；同时左砂轮50和右砂轮60的进给速度相同，磨削一定时间后，进而完成对硅圆片10的粗磨减薄。

在S2的阶梯减薄过程中，包括第一阶段减薄和第二阶段减薄，此阶段为过渡减薄，第一阶段减薄的厚度大于第二阶段减薄的厚度，进而要求左砂轮50和右砂轮60在第一阶段减薄中的进给速度大于在第二阶段减薄中的进给速度。无论是第一阶段减薄还是第二阶段减薄，左砂轮50和右砂轮60的旋转速度相同，磨削一定时间后，进而完成对硅圆片10的阶梯减薄。

在S3的精磨减薄过程中，在阶梯减薄厚度的基础上，再继续磨削减薄，在这一过程中，左砂轮50和右砂轮60的旋转速度相同，精磨减薄的进给速度小于第二阶段减薄中的进给速度，磨削一定时间后，进而完成对硅圆片10的精磨减薄。

在本实施例中，磨削减薄过程中，硅圆片10的转速始终不变。

以直径为300mm的硅圆片10的样片为例，样片厚度为1000um，样片减薄后的厚度要求为700um，即双面减薄厚度为300um，则单面减薄厚度为150um。

在S1的粗磨减薄过程中，左砂轮50和右砂轮60的旋转速度均为5000-6000r/min，左砂轮50为顺时针旋转，右砂轮60为逆时针旋转，相应地，硅圆片10逆时针旋转，硅圆片10的旋转速度为50-60r/min。左砂轮50和右砂轮60的进给速度为250-260um/min，经磨损100-150s后，即可减薄80±5um。

在S2的阶梯减薄过程中，第一阶段减薄中的左砂轮50和右砂轮60的旋转速度均为4500-5500r/min，硅圆片10的旋转速度为50-60r/min。左砂轮50和右砂轮60的进给速度为100-120um/min，经磨损50-70s后，即可减薄40±5um。第二阶段减薄中的左砂轮50和右砂轮60的旋转速度均为4500-5500r/min，硅圆片10的旋转速度为50-60r/min。左砂轮50和右砂轮60的进给速度为70-100um/min，经磨损30-50s后，即可减薄20±5um。在本阶段中，硅圆片10的总体减薄厚度为60±5um。

在S3的精磨减薄过程中，左砂轮50和右砂轮60的旋转速度均为4000-5000r/min，硅圆片10的旋转速度为50-60r/min。左砂轮50和右砂轮60的进给速度为50-80um/min，经磨损10-30s后，即可减薄10±5um。

最终可获得单面减薄厚度为150um，双面减薄后厚度为700um的硅圆片10。

采用本发明设计的大尺寸硅圆片，在硅圆片外圆周设一角度为89-95°的V型凹槽，V型凹槽深度为1-1.5mm，优选地，V型凹槽顶角为90度，深度为1.25mm，且这一V型凹槽结构设置在硅圆棒四个棱线与硅圆片交点的任一处，不仅不会影响硅圆片的整体使用，而且还便于与减薄装置配合固定，同时还可防止硅圆片出现裂痕或碎片。

本发明设计的大尺寸硅圆片减薄装置及减薄工艺，用于对大尺寸硅圆片立式双面同步进行磨削减薄，结构设计合理且简单，不仅可对硅圆片两侧面同时同步进行磨削，而且各结构配合可控，拆装保养简单，省时省力，无需其它辅助装置，加工后的硅圆片双面几何参数一致性好，且过程稳定，生产效率高，成品率高。使用本减薄装置获得的硅圆片，双侧减薄厚度均匀一致，表面平整度一致性好，减薄加工过程稳定，且工作效率高。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。