晶圆切割中振动 - 应力耦合效应对厚度均匀性的影响及抑制方法

一、引言

在半导体晶圆制造流程里，晶圆切割是决定芯片质量与生产效率的重要工序。切割过程中，振动与应力的耦合效应显著影响晶圆质量，尤其对厚度均匀性干扰严重。深入剖析振动 - 应力耦合效应对晶圆厚度均匀性的影响机制，并提出有效抑制方法，是提升晶圆加工精度、推动半导体产业高质量发展的关键所在。

二、振动 - 应力耦合效应对晶圆厚度均匀性的影响

2.1 振动引发应力集中与分布不均

切割过程中，刀具与晶圆接触产生的振动，会使晶圆局部区域受力状态发生突变，形成应力集中现象。高频振动导致应力快速交替变化，在晶圆内部形成复杂的应力分布。应力集中区域材料易发生塑性变形，使得切割深度出现差异，造成晶圆厚度不均匀 。例如，刀具振动幅值增加 10μm，晶圆局部应力集中区域的应力值可能提升 20% - 30%，进而影响切割深度和厚度均匀性。

2.2 应力加剧振动的产生与传播

晶圆内部的残余应力或切割过程中产生的动态应力，会改变晶圆的刚度和固有频率。当应力状态改变后的晶圆固有频率与切割振动频率相近时，会引发共振，加剧振动幅度。振动幅度的增大又进一步促使应力重新分布，二者相互作用形成恶性循环，严重破坏晶圆厚度均匀性 。如在切割脆性较大的晶圆材料时，应力导致晶圆局部刚度下降，振动能量更容易传播，使得厚度偏差问题更为突出。

2.3 耦合效应导致刀具切削不稳定

振动 - 应力耦合作用下，刀具的切削状态变得不稳定。应力的变化使刀具与晶圆的接触力波动，加剧刀具磨损；振动则使刀具切削轨迹偏移。不稳定的切削过程无法保证均匀的材料去除量，导致晶圆不同部位的厚度出现偏差 。

三、晶圆切割中振动 - 应力耦合效应的抑制方法

3.1 优化刀具与切割工艺参数

选择高刚性、低振动的刀具，合理设计刀具刃口形状和几何参数，降低切削力波动，减少振动产生。通过实验和仿真确定最佳切割工艺参数，如降低切割速度可减小切削力，减少振动激发；调整进给量，避免过大的切削负荷引发应力集中，从而抑制振动 - 应力耦合效应 。

3.2 改进工件夹持与装夹方式

设计高精度、高稳定性的工件夹持系统，保证晶圆在切割过程中稳固固定，减少因夹持不当产生的附加应力和振动。采用柔性装夹材料和结构，缓冲切割过程中的振动传递，降低振动 - 应力耦合对晶圆的影响 。

3.3 引入振动主动控制与应力调节技术

在切割设备上安装振动传感器实时监测振动信号，运用主动控制技术，如电磁激励器、压电陶瓷驱动器等，产生反向振动抵消有害振动。同时，通过热处理、激光冲击等方法调节晶圆内部应力，降低残余应力水平，改变晶圆应力分布状态，削弱振动 - 应力耦合效应，保障晶圆厚度均匀性 。

高通量晶圆测厚系统运用第三代扫频OCT技术，精准攻克晶圆/晶片厚度TTV重复精度不稳定难题，重复精度达3nm以下。针对行业厚度测量结果不一致的痛点，经不同时段测量验证，保障再现精度可靠。?

我们的数据和WAFERSIGHT2的数据测量对比,进一步验证了真值的再现性：

（以上为新启航实测样品数据结果）

该系统基于第三代可调谐扫频激光技术，相较传统双探头对射扫描，可一次完成所有平面度及厚度参数测量。其创新扫描原理极大提升材料兼容性，从轻掺到重掺P型硅，到碳化硅、蓝宝石、玻璃等多种晶圆材料均适用：?

对重掺型硅，可精准探测强吸收晶圆前后表面；?

点扫描第三代扫频激光技术，有效抵御光谱串扰，胜任粗糙晶圆表面测量；?

通过偏振效应补偿，增强低反射碳化硅、铌酸锂晶圆测量信噪比；

（以上为新启航实测样品数据结果）

支持绝缘体上硅和MEMS多层结构测量，覆盖μm级到数百μm级厚度范围，还可测量薄至4μm、精度达1nm的薄膜。

（以上为新启航实测样品数据结果）

此外，可调谐扫频激光具备出色的“温漂”处理能力，在极端环境中抗干扰性强，显著提升重复测量稳定性。

（以上为新启航实测样品数据结果）

系统采用第三代高速扫频可调谐激光器，摆脱传统SLD光源对“主动式减震平台”的依赖，凭借卓越抗干扰性实现小型化设计，还能与EFEM系统集成，满足产线自动化测量需求。运动控制灵活，适配2-12英寸方片和圆片测量。