半導體制造工藝超薄晶圓磨削減薄技術解析

對于晶圓減薄工藝做部分補充，這里主要針對的是晶圓背面減薄工藝部分。

為什么要減??？

在后道制程階段，晶圓（正面已布好電路的硅片）在后續(xù)劃片、壓焊和封裝之前需要進行背面減?。╞ackthinning）加工以降低封裝貼裝高度，減小芯片封裝體積，改善芯片的熱擴散效率、電氣性能、機械性能及減小劃片的加工量。背面磨削加工具有高效率、低成本的優(yōu)點，目前已經取代傳統(tǒng)的濕法刻蝕和離子刻蝕工藝成為最主要的背面減薄技術。

減薄后的晶圓（圖片來自網絡）

怎么減??？

統(tǒng)封裝工藝的晶圓減薄主要流程

晶圓減薄的具體步驟是把所要加工的晶圓粘接到減薄膜上，然后把減薄膜及上面芯片利用真空吸附到多孔陶瓷承片臺上，杯形金剛石砂輪工作面的內外圓舟中線調整到硅片的中心位置，硅片和砂輪繞各自的軸線回轉，進行切進磨削。磨削包括粗磨、精磨和拋光三個階段。

將從晶圓廠出來的Wafer進行背面研磨，來減薄晶圓達到封裝需要的厚度。磨片時，需要在正面（Active Area）貼膠帶保護電路區(qū)域，同時研磨背面。研磨之后，去除膠帶，測量厚度。

目前已經成功應用于硅片制備的磨削工藝有轉臺式磨削、硅片旋轉磨削、雙面磨削等。隨著單晶硅片表面質量需求的進一步提高，新的磨削技術也不斷提出，如TAIKO磨削、化學機械磨削、拋光磨削和行星盤磨削等。

轉臺式磨削:

轉臺式磨削（rotarytablegrinding）是較早應用于硅片制備和背面減薄的磨削工藝，其原理如圖1所示。硅片分別固定于旋轉臺的吸盤上，在轉臺的帶動下同步旋轉，硅片本身并不繞其軸心轉動；砂輪高速旋轉的同時沿軸向進給，砂輪直徑大于硅片直徑。轉臺式磨削有整面切入式（faceplungegrinding）和平面切向式（facetangentialgrinding）兩種。整面切入式加工時，砂輪寬度大于硅片直徑，砂輪主軸沿其軸向連續(xù)進給直至余量加工完畢，然后硅片在旋轉臺的帶動下轉位；平面切向式磨削加工時，砂輪沿其軸向進給，硅片在旋轉盤帶動下連續(xù)轉位，通過往復進給方式（reciprocation）或緩進給方式（creepfeed）完成磨削。

圖1、轉臺式磨削（平面切向式）原理示意圖

與研磨方法相比，轉臺式磨削具有去除率高、表面損傷小、容易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。但磨削加工中實際磨削區(qū)（activegrinding）面積Ｂ和切入角θ（砂輪外圓與硅片外圓之間夾角）均隨著砂輪切入位置的變化而變化，導致磨削力不恒定，難以獲得理想的面型精度（TTV值較高），并容易產生塌邊、崩邊等缺陷。轉臺式磨削技術主要應用于200mm以下單晶硅片的加工。單晶硅片尺寸增大，對設備工作臺的面型精度和運動精度提出了更高的要求，因而轉臺式磨削不適合300mm以上單晶硅片的磨削加工。

為提高磨削效率，商用平面切向式磨削設備通常采用多砂輪結構。例如在設備上裝備一套粗磨砂輪和一套精磨砂輪，旋轉臺旋轉一周依次完成粗磨和精磨加工，該形式設備有美國GTI公司的G-500DS（圖2）。

圖2、美國GTI公司的G-500DS轉臺式磨削設備

硅片旋轉磨削:

為了滿足大尺寸硅片制備和背面減薄加工的需要，獲得具有較好TTV值的面型精度。1988年日本學者Matsui提出了硅片旋轉磨削（in-feedgrinding）方法，其原理如圖3所示吸附在工作臺上的單晶硅片和杯型金剛石砂輪繞各自軸線旋轉，砂輪同時沿軸向連續(xù)進給。其中，砂輪直徑大于被加工硅片直徑，其圓周經過硅片中心。為了減小磨削力和減少磨削熱，通常把真空吸盤修整成中凸或中凹形狀或調整砂輪主軸與吸盤主軸軸線的夾角，保證砂輪和硅片之間實現(xiàn)半接觸磨削。

圖3、硅片旋轉磨削原理示意圖

硅片旋轉磨削與轉臺式磨削相比具有以下優(yōu)點：①單次單片磨削，可加工300mm以上的大尺寸硅片；②實際磨削區(qū)面積Ｂ和切入角θ恒定，磨削力相對穩(wěn)定；③通過調整砂輪轉軸和硅片轉軸之間的傾角可實現(xiàn)單晶硅片面型的主動控制，獲得較好的面型精度。另外硅片旋轉磨削的磨削區(qū)和切入角θ還具有可實現(xiàn)大余量磨削、易于實現(xiàn)在線厚度與表面質量的檢測與控制、設備結構緊湊、容易實現(xiàn)多工位集成磨削、磨削效率高等優(yōu)點。

為了提高生產效率，滿足半導體生產線需求，基于硅片旋轉磨削原理的商用磨削設備采用多主軸多工位結構，一次裝卸即可完成粗磨和精磨加工，結合其他輔助設施，可實現(xiàn)單晶硅片“干進干出（dry-in/dry-out）”和“片盒到片盒（cassettetocassette）”的全自動磨削。

雙面磨削:

硅片旋轉磨削加工硅片上下表面時需要將工件翻轉分步進行，限制了效率。同時硅片旋轉磨削存在面型誤差復?。╟opied）和磨痕（grindingmark），無法有效去除線切割（multi-saw）后單晶硅片表面的波紋度（waviness）和錐度等缺陷，如圖4所示。為克服以上缺陷，在20世紀90年代出現(xiàn)了雙面磨削技術（doublesidegrinding），其原理如圖5所示。兩側面對稱分布的夾持器將單晶硅片夾持在保持環(huán)中，在輥子的帶動下緩慢旋轉，一對杯型金剛石砂輪相對位于單晶硅片的兩側，在空氣軸承電主軸驅動下沿相反的方向旋轉并沿軸向進給實現(xiàn)單晶硅片的雙面同時磨削。從圖中可看出，雙面磨削可有效去除去除線切割后單晶硅片表面的波紋度和錐度。按照砂輪軸線布置方向，雙面磨削有臥式和立式兩種，其中臥式雙面磨削能有效降低硅片自重導致的硅片變形對磨削質量的影響，容易保證單晶硅片兩面的磨削工藝條件相同，且磨粒和磨屑不易停留在單晶硅片的表面，是比較理想的磨削方式。

圖4、硅片旋轉磨削中的“誤差復印”和磨痕缺陷

圖4、雙面磨削原理示意圖

表1所示為上述三種單晶硅片的磨削與雙面研磨的對比。雙面研磨主要應用于200mm以下硅片加工，具有較高的出片率。由于采用固結磨料砂輪，單晶硅片的磨削加工能夠獲得遠高于雙面研磨后的硅片表面質量，因此硅片旋轉磨削和雙面磨削都能夠滿足主流300mm硅片的加工質量要求，是目前最主要的平整化加工方法。選擇硅片平整化加工方法時，需要綜合考慮單晶硅片直徑大小、表面質量以及拋光片加工工藝等要求。晶圓的背面減薄加工只能選擇單面加工方法，如硅片旋轉磨削方法。