大尺寸硅片磨削技術(shù)

1、大尺寸硅片磨削技術(shù)2017-08-23磨削系統(tǒng)解決方案微信摘要：集成電路芯片不斷向高密度、高性能和輕薄短小方向發(fā)展，發(fā)滿足1c封裝要求，圖形硅八的背面減薄成力 半導(dǎo)體后半制程中的重要工序。隨著大直徑硅片的應(yīng)用，硅片的厚度相應(yīng)增大，而先進(jìn)的封裝技術(shù)則要求更薄的芯 片，超精密磨削作為硅片背而減薄主要工藝得到廣泛應(yīng)用。木文分析了兒種常用的硅片背而減薄技術(shù)，論述了的基 于自旋轉(zhuǎn)磨削法的硅片背而磨削的加工原理、工藝特點(diǎn)和關(guān)鍵技木，先容了硅片背而磨削技術(shù)而臨的挑戰(zhàn)和取得的 新進(jìn)展。關(guān)鍵詞：硅片；背面減??；磨削；1c01引言為了增大1c芯片產(chǎn)量，降低單元制造本錢，要求1c的基礎(chǔ)材料硅片趨向大直徑化。現(xiàn)在20

2、0mm硅片是主流產(chǎn) 品，正在向300mm硅片發(fā)展，全世界已經(jīng)陸續(xù)建立了十兒條300mm硅片生產(chǎn)線，預(yù)計將采用直徑450mm (18英 寸)硅片。隨著硅片直徑增大，為了保證硅片在電路制作過程中具有足夠的強(qiáng)度，原始硅片(prime wafer)的 m度也相應(yīng)增加。直徑150mm和200腿硅片的/v:度分別力625mm和72 5mm,而直徑300mm硅片均勻厚度將達(dá)到 775mm。另一方面，1c的技術(shù)進(jìn)步日新月異，正在向高速化、高集成化、高密度化和高性能化的方向發(fā)展。微電 子產(chǎn)品在集成度、速度和可靠性不斷進(jìn)步的同時正向輕薄短小的方向發(fā)展，與此相適應(yīng)，新型的芯片封裝技術(shù)不斷 涌現(xiàn)，這些先進(jìn)的封裝技術(shù)所

3、需要的芯片厚度越來越薄。早期的雙列直插式封裝(dip)對應(yīng)芯片的厚度為600mm 左右，bga封裝所用的芯片厚度為375mm,而(afcp)所用的芯片厚度為125mm左右，一些智能卡所用的芯片厚 度己減到100mm以下，高性能電子產(chǎn)品的立體封裝甚至需要厚度小于50醒超薄的芯片。02硅片背面減薄技術(shù)硅片上電路層的有效厚度一般為5-10mm,為了保證其功能，有一定的支撐厚度是必要的，因此，硅片的厚度 極限為20-30mm。這只占總厚度的一小部分，占總厚度90%左右的襯底材料是為了保證硅片在制造、測試和運(yùn)送 過程中有足夠的強(qiáng)度。因此，電路層制作完成后，需要對硅片進(jìn)行背面減薄(backside thi

4、nning),使其達(dá)到 所需的對硅片進(jìn)行劃片(dicing)加工，形成一個個減薄的裸芯片。減薄后的芯片有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 進(jìn)步熱擴(kuò)散效率隨著半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、集成度越來越高，晶體管體積不斷減小，散熱已逐漸成為 影響芯片性能和壽命的關(guān)鍵因素，薄的芯片更有利于散熱。(2) 減小芯片封裝體積微電子產(chǎn)品h益向輕薄短小的方向發(fā)展，減小芯片封裝體積是適應(yīng)這一發(fā)展趨勢的必 由之路。(3) 進(jìn)步機(jī)械性能減薄后的芯片機(jī)械性能明顯進(jìn)步，硅片越薄，其柔韌性越好，受外力沖擊引起的應(yīng)力也越 小。(4) 氣性能晶片的厚度越薄元件之間的連線將越短，元件導(dǎo)通電阻將越低，信號延遲時間越短，從而實現(xiàn)更 高的性能。(5) 減輕

5、劃片加工量減薄以后再切割，可以減小劃片(dicing)時的加工量，降低芯片崩邊的發(fā)生率。未來硅片背面減薄將趨向20-30醒的極限厚度。當(dāng)芯片厚度小于50mm時，可以彎曲到一定程度而不斷裂，特殊的超薄芯片甚至可以隨意彎曲，可用來做成閃存芯片和電子標(biāo)簽等。目前，硅片的背而減薄技術(shù)主要有磨削、研磨、化學(xué)機(jī)械拋光(cmp)、干式拋光(dry polishing)、電化學(xué)腐蝕(electrochemical etching)、濕法腐蝕(wet etching)、等離子輔助化學(xué)腐蝕(pace)、常 壓等離子腐蝕(atmospheric downstream plasma etching，adpe)等，其巾

6、最常用的背面減薄技術(shù)有磨 削、cmp、濕法腐蝕、adpe和干式拋光五種。磨削的加工效率高，加工后的硅片平整度好，本錢低，但是硅片表而會產(chǎn)生深達(dá)幾微米的損傷層，導(dǎo)致硅片的 強(qiáng)度降低，輕易發(fā)生碎片，磨削表面還存在殘余應(yīng)力，使硅片發(fā)生翹曲，給搬運(yùn)和后續(xù)處理帶來困儺，一般需要后續(xù) 工藝來消除損傷層和殘余應(yīng)力，化學(xué)機(jī)械拋光是利用化學(xué)和機(jī)械復(fù)合作用往除材料的，硅片表面的損傷很小，缺點(diǎn) 是材料往除率低、工作壓力高。濕法蝕刻是將硅片浸進(jìn)酸性化學(xué)溶液(hn03/hf7hp04)巾，通過化學(xué)反應(yīng)往除硅 片表層材料，硅片表面無損傷和無晶格位錯，能極大地進(jìn)步硅片的強(qiáng)度，減小翹曲，其缺點(diǎn)是需對硅片的正面進(jìn)行 保滬，對磨

7、削條紋的校正能力弱，不its合加工有突出硅片(bumped wafer )，腐蝕速度快往除率為5-4omm/min， 腐蝕速度不均勻，為腐蝕的5%-10%，環(huán)境污染題目。常壓等離子腐蝕是最新發(fā)展起來的、利用磁力控制的在大 氣壓力下工作的一種純化學(xué)作用的干式腐蝕技術(shù)，在氬氣環(huán)境下adp系統(tǒng)將氣體(cf-4引進(jìn)等離子區(qū)，使之100%分解，f與硅片表面的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)天生sif 4,達(dá)到往除材料的目的。加工時，利用bernoulli效應(yīng)產(chǎn)生 的壓力將硅片懸置于等離子區(qū)上方，硅片的正面不必像濕式腐蝕那樣需用膠帶保護(hù)，因此，適合加工較薄的硅片， 也適合加工有突出的硅片。adpe能夠往除硅片背面由于磨削

8、引起的損傷層，加工速度為背面往除 量可達(dá)50-100mm，加工后的表面平整性比濕式腐蝕好。干式拋光是新出現(xiàn)的往除硅片應(yīng)力的技術(shù)，其加工原理類 似于硅片磨削，與磨削不同之處是用纖維和金屬氧化物制成的拋光輪取代了金剛石砂輪。干式拋光能有效地往除硅 片背面磨削引起的殘余應(yīng)力，本餞低，但加工效率低，加工速度僅為lmm/min，只適合往除較淺的損傷層。 硅片背面減薄過程。硅片的原始厚度一般為675-775mm，終極要減薄到100-2ocknm,有時甚至要減薄到50畫。 在硅片減薄工藝中一般不能將硅片磨削到很薄的尺寸，由于假如將硅片直接磨削到芯片封裝所需的厚度，由于機(jī)械 損傷層的存在，在運(yùn)輸和后序工藝巾碎

9、片率非常高。因此，實際應(yīng)用中，對于200mm的硅片，假如需要100mm的 薄硅片，首先先用磨削的方式往除盡大部分余量，背面減薄到180mm左右，然后cmp、濕法腐蝕、adpe和干式拋 光中的一種或兩種消除磨削引起的損傷層和殘余應(yīng)力，得到無損傷的片表而。因此，一般硅片的背而減薄可以有背 面磨削+cmp、背面磨削+濕式化學(xué)腐蝕、背面磨削+adpe、背面磨削+干式拋光四種工藝方案。03三片背面磨削減薄技術(shù)硅片背面磨削減薄的原理早在上個世紀(jì)，就已經(jīng)采用旋轉(zhuǎn)工作臺磨削(surface gring on a rotary table)法進(jìn)行直徑100mm 以下硅片的背面減薄。隨著硅片直徑的增大，對硅片背面

10、減薄的要求越來高，旋轉(zhuǎn)工作臺磨削技術(shù)具有一定的局限 性。s. matsui提山了硅片自旋轉(zhuǎn)磨削(wafer rodtatding grinding)法，并開始逐漸取代旋轉(zhuǎn)工作臺磨 削。硅片自旋轉(zhuǎn)磨削法的加工原理。采川略大于硅片的工件轉(zhuǎn)臺，硅片通過真空吸盤夾持在工件轉(zhuǎn)臺的中心，杯 形金剛石砂輪工作面的內(nèi)外圓周中線調(diào)整到硅片的中心位置，硅片和砂輪繞各自的軸線冋轉(zhuǎn)，進(jìn)行切進(jìn)磨削 (in-feed grinding)。磨削深度tw與砂槍軸向進(jìn)給速度f和硅片轉(zhuǎn)速nw關(guān)系為：tw=f / nw (l)硅片自旋轉(zhuǎn)磨削法的優(yōu)點(diǎn)：(1) 可實現(xiàn)延性域磨削。在加工脆性材料吋，當(dāng)磨削深度小于某一臨界值吋，可以實現(xiàn)延

11、性域磨削。對于自 旋轉(zhuǎn)磨削，由公式(1)可知，對給定的軸向進(jìn)給速度，假如工作臺的轉(zhuǎn)速足夠高，就可以實現(xiàn)極微小磨削深度。(2) 可實現(xiàn)高效磨削。由公式(1)可知，通過同時進(jìn)步硅片轉(zhuǎn)速和砂輪軸向進(jìn)給速度，可以在保持與普通 磨削同樣的磨削深度情況下，達(dá)到較高的材料往除率，適用于大余量磨削。(3) 砂輪與硅片的接觸長度、接觸面積、切進(jìn)角不變，磨削力恒定，加工狀態(tài)穩(wěn)定，可以避免硅片出現(xiàn)屮凸 和塌邊現(xiàn)象。(4) 磨床只有沿磨削主軸方向的進(jìn)給運(yùn)動，有利于進(jìn)步機(jī)床的剛度。(5) 通過調(diào)整砂輪軸線和工件軸線之間的夾角，可以補(bǔ)償巾于機(jī)床變形引起的砂輪軸線和工作臺軸線不平行。(6) 砂輪轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于硅片轉(zhuǎn)速，因此砂輪

12、的磨損對硅片平整度的影響小。(7) 自旋轉(zhuǎn)磨削每次加工一個硅片，磨削進(jìn)給不受硅片與硅片之間加工余量不均勻的限制。(8) 硅片自旋轉(zhuǎn)磨削設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，輕易實現(xiàn)多工位集成，甚至可以和拋光裝置集成為一體，實現(xiàn)磨削拋光 一體化。由于上述優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在直徑200mm以上的大尺寸硅片背面磨削(backgrinding)大都采用基于硅片自旋轉(zhuǎn)磨 削原理的超精密磨削技術(shù)。硅片背面磨削的工藝過程硅片背面磨削一般分為兩步：粗磨和精磨。在粗磨階段，一般采用粒度46#-500#的金剛石砂輪，軸向進(jìn)給速 度為100-500mm/min，磨肖深度較大，一般力0. 5-lmm。目的是迅速地往除硅片背面盡大部分的多余材料(約 占

13、加工余量的90%)。精磨時，加工余量幾微米直至十幾微米，采用粒度2000#-4000#的金剛石砂輪，軸向進(jìn)給 速度0.5-lomm/min。主要是消除秈磨時形成的損傷層，達(dá)到所要求的厚度，在精磨階段，材料以延性域模式往 除，硅片表而損傷明顯減小。硅片磨削背面的性能特點(diǎn)(1) 加工效率磨削是效率最高、本錢最低的硅片背面減薄方法，川磨削的方式可以迅速地往除硅片背面盡大 部分的加工余量。如對于原始厚度為775mm的300mm直徑硅片，將其減到厚度200mm所需要的時間約為1分鐘。(2) 加工精度硅片背而磨削能夠達(dá)到極高的厚度均勻性，對于300mm硅片，厚度變動:w:甚至可達(dá)到0.5mm 以下；表面粗

14、糙度ra可以達(dá)到兒個納米。(3) 表而和亞表而損傷硅片背而磨削是利用機(jī)械作用實現(xiàn)材料往除的，不可避免地會在硅片表而和亞表而產(chǎn) 生損傷。亞表面損傷是硅片背面減薄最重要的指標(biāo)之一。硅片磨削后的表面損傷分為3層：頂層為非晶層，并分布 有微觀裂紋，接下來是較深的晶格位錯層，然后是彈性變形層，再下面為正常的單晶硅結(jié)構(gòu)。砂輪磨料的粒度對硅 片亞表面損傷的程度影最大，設(shè)備的精度、磨削川量對亞表面損傷也有重要影響。一般粗磨時材料是以脆性斷裂的 模式往除，在硅片表面留卜深度達(dá)20-30mm的損傷層和限大的殘余應(yīng)力。在精磨階段，材料是以延性域的模式往 除的，能消除粗磨時形成的損傷層，精磨后的表而損傷明顯減小，其深

15、度一般為15mm以下。此外，巾于磨削時磨 粒的岀力高度不一致，還會在硅片表面留下磨痕(grinding mark)。大呈的數(shù)據(jù)分析表明，芯片在鍵合與測試 吋往往發(fā)生碎裂，碎裂的原因往往是由于在背ifif減薄吋引起的損傷在后序的腐蝕或化學(xué)機(jī)械拋光吋沒有完全往除引 起的。(4) 翹曲變形磨削會在硅片表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使背磨后的硅片發(fā)生翹曲，經(jīng)常導(dǎo)致硅片碎裂。由于粗磨導(dǎo) 致的殘余應(yīng)力較大，最大翹曲一般發(fā)生在祖磨之后。通常需要采用濕法腐蝕、常壓等離子腐蝕、化學(xué)機(jī)械拋光等往 除損傷層和殘余應(yīng)力，以減小硅片翹曲。硅片背面磨削的關(guān)鍵技術(shù)由于單晶硅是典型的硬脆材料，為實現(xiàn)大尺、硅片的高效率、超精密和超薄化磨削

16、，應(yīng)具備以下關(guān)鍵技術(shù)：(1) 高精度、高剛度的主軸系統(tǒng)硅片磨床應(yīng)具有極高的靜、動態(tài)剛性和優(yōu)良的熱平衡結(jié)構(gòu)，為此，砂輪主軸 和工件轉(zhuǎn)臺主軸都采用島精度、島剛度、商速度的空氣軸承主軸，a置式伺服電機(jī)。砂輪主軸和工件主軸的徑14跳 動小于0.02mm。(2) 高精度微進(jìn)給系統(tǒng)為了實現(xiàn)硅片的延性域磨削，通過減小砂輪軸向進(jìn)給速度實現(xiàn)微小磨削深度，要求磨 床的進(jìn)給運(yùn)動具有很小的分辨率并能精確控制。目前，國外先進(jìn)的背面磨床的砂輪軸向進(jìn)給速度最小可達(dá)1mm/ mino(3) 微細(xì)粒度的超硬磨料砂輪實現(xiàn)單晶硅等硬脆材料超精密磨削的關(guān)鍵技術(shù)之一是砂輪的性能。硅片背而磨 削使用杯形金剛石砂輪，直徑一般為350mm-

17、200rnrn,金剛石粒度在300#-4000#之間，砂輪的粒度嚴(yán)格控制，砂 輪用特殊結(jié)合劑制作，有較長的使用壽命。(4) 硅r精密定位夾持裝置為了能夠安全可靠地輸送和加工薄的硅r, 般先將硅片的正面用特殊的雙面膠 帶粘結(jié)在一塊剛性支撐基板上，然后通過真空吸盤夾持在工件轉(zhuǎn)臺上。04硅片背面磨削技術(shù)的新進(jìn)展由于硅片直徑和厚度以及芯片厚度的變化，硅片背面磨削技術(shù)面臨的主要題目是：(1) 進(jìn)步硅片減薄的效率。原始硅片厚度的增大和芯片的超薄化使硅片背而減薄的材料往除量加大。背而磨 削作為硅片背面減薄的主要工藝，要求具有很高的加工效率。(2) 減小表面和亞表面損傷。磨削引起的損傷和殘余應(yīng)力極大的降低了硅

18、片的機(jī)械性能，增大了硅片碎裂的 風(fēng)險，為了減小損傷和殘余應(yīng)力，必須采用更微細(xì)粒度的砂輪和更小的磨削用w:。(3) 減小或避免硅片翹曲。背面縻削后的硅片會產(chǎn)生很大的翹曲變形，而且硅片越薄翹曲變形越大。在后續(xù) 的濕法腐蝕和cmp等往除殘余應(yīng)力工序中，翹曲硅片的運(yùn)送和處理非常困難，經(jīng)常導(dǎo)致硅片碎裂。閃此必須減小磨 削殘余應(yīng)力，以減小硅片翹曲。為了解決上述題目，國內(nèi)外不斷開展砘片背面磨削技術(shù)研宂，取得一些新的進(jìn)展，主要表現(xiàn)在:一、開發(fā)新型的超精密磨床近年來，英國cranfield大學(xué)研制的正四面體(tetraform)新概念磨床具有很高的靜、動態(tài)剛性和優(yōu)良 的熱平衡結(jié)構(gòu)，可以在隔離環(huán)境振動和溫度的條件

19、下進(jìn)行高速超精密磨削。用于磨削單晶硅的表囬粗糙度達(dá)到 ral-20nm,亞表面損傷深度只有傳統(tǒng)磨削的1-2%,甚至小于拋光加工產(chǎn)生的亞表面損傷深度。近年來提出了''三 角柱型五面體構(gòu)造的概念磨床，這種磨床結(jié)構(gòu)的剛度更高，穂定性更好。實驗結(jié)果表明，在相同磨削深度條件下, 加工效率是普通硅片磨床的4倍，磨削后硅片的平整度更好，表面損傷很小。江田弘等人開發(fā)了基于自旋轉(zhuǎn)磨削原理的集成磨削系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有兩個自由度(砂輪主軸軸向進(jìn)給、工件主 軸徑向進(jìn)給)，磨削采用空氣靜壓導(dǎo)軌和空氣主軸支承，砂輪主軸和工件主軸的徑向跳動小于0.02mm，超精密定 位機(jī)構(gòu)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)0. 5mm/min的進(jìn)給率，超磁致伸縮微驅(qū)動裝置調(diào)整砂輪軸與工件軸的夾角控制硅片面 型精度，可以在一個工序中完成硅片的延性域磨削和類似拋光的磨削(polishing-like grinding),加工直徑300mm硅片可達(dá)到表面粗糙度ra<lnm，ttv<0. 2mm，表而損傷層減小到120m，能源消耗比傳統(tǒng)工藝降低 70%，二、