Mài và đánh bóng tấm Wafer là những quy trình thiết yếu trong sản xuất chip bán dẫn. Nó đóng vai trò nền tảng trong việc đạt được độ phẳng bề mặt, độ dày đồng đều và tính toàn vẹn cấu trúc cần thiết cho con chip. Lapping giúp loại bỏ vật liệu, hiệu chỉnh độ cong vênh, đồng thời cải thiện độ song song tổng thể, trong khi đánh bóng tinh chỉnh bề mặt đến độ mịn ở cấp độ nguyên tử, loại bỏ hư hỏng dưới bề mặt và đạt được độ dày cuối cùng chính xác. Các bước này không chỉ ngăn ngừa các khuyết tật như tách lớp, lỗ rỗng và lỗi bám dính mà còn nâng cao độ tin cậy của thiết bị, hiệu suất điện và năng suất sản xuất.

Mài và đánh bóng tấm Wafer Silicon

Mục tiêu

Thực hiện mài một mặt và đánh bóng cơ hóa học (CMP) cho tấm wafer silicon có đường kính 4 inch đạt độ dày cuối cùng là 500µm, với độ hoàn thiện bề mặt mục tiêu (Ra) là 1–2 nm (0.001-0.002µm). Chiều dày ban đầu của tấm wafer là 529µm.

Vật liệu của tấm Wafer là silicon đơn tinh thể (monocrystalline silicon), tinh khiết gần như tuyệt đối (99,9999999% – gọi là 9N). Để đạt được yêu cầu trải qua 2 nguyên công mài sử dụng dung dịch mài nhôm oxide và đánh bóng cơ học sử dụng dung dịch Col-K(X).

Mài lapping

Quá trình mài được thực hiện bằng máy mài Kemet 15 được trang bị tấm kính Pyrex và vòng đệm gốm. Dung dịch mài mòn là nhôm oxit, một dung dịch gốc nước được tối ưu hóa để đạt tốc độ loại bỏ đồng đều. Tấm wafer, được gắn lên vòng đệm gốm và quay 15 vòng/phút trong thời gian 45 phút.

Kết quả của bước này cho thấy độ dày của tấm wafer đầu vào dao động từ 0,526 mm đến 0,529 mm, và giảm xuống còn 0,504 mm đến 0,506 mm, cho phép loại bỏ vật liệu khoảng 0,023 mm. Độ nhám bề mặt thu được được đo ở mức 0,334 µm, và tốc độ loại bỏ vật liệu (MRR) là khoảng 0,0005 mm/phút. Mặc dù quá trình này đạt hiệu quả loại bỏ vật liệu và làm phẳng đáng kể, độ nhám bề mặt vẫn cao hơn nhiều so với thông số kỹ thuật mong muốn ở cấp độ nanomet.

Đánh bóng cơ hóa học CMP

Để tinh chỉnh bề mặt wafer và đạt được độ dày mong muốn, giai đoạn thứ hai được thực hiện đánh bóng cơ học hóa học CMP. Quy trình này cũng được thực hiện trên máy Kemet 15, nhưng với miếng đánh bóng polyurethane (PU) SC1535. Dung dịch đánh bóng bao gồm Col-K(X), được tăng cường với 100 ml hydro peroxide (H₂O₂) trên một lít để cải thiện phản ứng hóa học. Vẫn sử dụng vòng đệm gốm, và wafer được gắn sáp như trước. Tuy nhiên, lần này tải trọng được tăng lên—1 kg khối gốm cộng với 4,1 kg khối SUS. Quy trình được thực hiện ở tốc độ 15 vòng/phút trong 60 phút.

Bước đánh bóng này đã làm giảm độ dày wafer hơn nữa, từ 0,504–0,506 mm đầu vào xuống 0,500–0,502 mm đầu ra, với lượng vật liệu bị loại bỏ khoảng 0,004 mm. Độ nhám bề mặt thu được cải thiện đáng kể lên 0,008 µm (8 nm), và tốc độ loại bỏ vật liệu giảm xuống còn 0,00006 mm/phút. Mặc dù độ dày cuối cùng đạt mục tiêu 500 µm, độ hoàn thiện bề mặt đạt được vẫn chưa đạt được thông số kỹ thuật mong muốn 1–2 nm.

Quy trình mài và đánh bóng kết hợp đã đáp ứng thành công yêu cầu về kích thước, với độ dày wafer cuối cùng nằm trong khoảng 500–502 µm. Tuy nhiên, độ hoàn thiện bề mặt đạt được là 8 nm Ra—cao hơn khoảng mục tiêu 1–2 nm. Có thể cần tối ưu hóa quy trình hơn nữa để thu hẹp khoảng cách này và đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe về độ hoàn thiện bề mặt.

Độ hoàn thiện bề mặt (Ra) đạt được 8 nm
Độ dày vật liệu cuối cùng đạt được 500–502 µm

Mài và đánh bóng tấm Wafer Gallium Arsenide (GaAs)

Gallium Arsenide (GaAs) là một hợp chất bán dẫn được biết đến với các tính chất dẫn điện vượt trội, đặc biệt là trong các ứng dụng tần số cao và quang điện tử. Tuy nhiên, độ giòn và độ nhạy với ứng suất cơ học của nó đặt ra những thách thức trong quá trình chế tạo wafer. Mục tiêu của thử nghiệm này là xử lý wafer GaAs 2” để đạt được độ hoàn thiện quang học cao mà không có vết xước hoặc hư hỏng bề mặt còn sót lại, sử dụng các kỹ thuật chính xác một mặt.

Mục tiêu

Thực hiện mài và đánh bóng một mặt wafer GaAs đường kính 2” để đạt được bề mặt hoàn thiện gương, không khuyết tật.

Để đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về bề mặt và hình học, wafer đã trải qua quy trình gia công bề mặt ba giai đoạn. Giai đoạn mài ban đầu để loại bỏ vật liệu và làm phẳng bề mặt, tiếp theo là đánh bóng giai đoạn một để loại bỏ hư hỏng bề mặt do mài, và cuối cùng là đánh bóng giai đoạn hai để hoàn thiện.

Mài một mặt

Quá trình mài được thực hiện trên máy Kemet 15, sử dụng tấm kính Pyrex phẳng và nhôm oxit làm dung dịch mài mòn. Tấm wafer được gắn sáp lên khối gốm 1,2 kg và chịu thêm 3,5 kg tải trọng. Vận hành ở tốc độ 30 vòng/phút trong 60 phút, quá trình này đã loại bỏ hiệu quả khoảng 0,76 mm vật liệu. Tấm wafer thu được thể hiện độ phẳng tuyệt vời, với độ song song đạt được trong phạm vi 0,002 mm.

Đánh bóng ban đầu

Trong bước đánh bóng đầu tiên, hệ thống Kemet 15 tương tự đã được sử dụng, lần này được trang bị vải đánh bóng ASR-H và dung dịch 1-WHVS2-PC-STR. Cấu hình tải vẫn giữ nguyên như trong giai đoạn mài. Tấm quay ở tốc độ 15 vòng/phút trong 65 phút, trong thời gian đó, hư hỏng dưới bề mặt do mài được loại bỏ hiệu quả. Giai đoạn này duy trì độ song song tốt, đạt kết quả khoảng 0,003 mm. Nó cũng cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt của wafer để chuẩn bị cho quá trình đánh bóng cuối cùng.

Đánh bóng lần 2

Công đoạn đánh bóng cuối cùng được thực hiện bằng vải đánh bóng CHEMO PAD 7 (NC-HS) kết hợp với dung dịch Alpha Alumina 0,3 µm, được tăng cường thêm 20% phụ gia tẩy trắng. Không có trọng lượng bổ sung nào được áp dụng trong giai đoạn này. Quy trình được thực hiện ở tốc độ 15 vòng/phút trong khoảng thời gian ngắn 2–3 phút, nhằm mục đích nâng cao chất lượng hình ảnh của bề mặt. Mặc dù wafer có thể đạt được độ bóng như gương như mong muốn, độ song song giảm nhẹ xuống còn khoảng 0,005 mm.

Sau khi hoàn tất quy trình ba giai đoạn, wafer GaAs thể hiện bề mặt hoàn hảo như gương, không có vết xước hay đường vân nào, dựa trên quan sát trực quan. Về mặt hình học, wafer vẫn giữ được độ phẳng và độ song song cao trong suốt phần lớn quy trình, mặc dù có một chút suy giảm sau khi đánh bóng cuối cùng. Nhìn chung, quy trình này đã chứng minh hiệu quả trong việc cân bằng chất lượng quang học và độ chính xác hình học, với kết quả đặc biệt tốt trong giai đoạn mài ban đầu và đánh bóng giai đoạn đầu.

Xem thêm

Bài viết được dịch lại từ bài viết của hãng Kemet theo link