半导体晶圆后头减薄工艺技能的详解_磨削_硅片

一、晶圆减薄的目的

在后道制程阶段，晶圆（正面已布好电路的硅片）在后续划片、压焊和封装之前须要进行背面减薄（backthinning）加工以降落封装贴装高度，减小芯片封装体积，改进芯片的热扩散效率、电气性能、机器性能及减小划片的加工量。
背面磨削加工具有高效率、低本钱的优点，目前已经取代传统的湿法刻蚀和离子刻蚀工艺成为最紧张的背面减薄技能。

二、晶圆减薄的极限

晶圆减薄的极限厚度与晶圆的材质和尺寸有密切关系。
较大的晶圆在减薄过程中更随意马虎分裂。
尺寸越大，减薄越困难。

而晶圆的材质多种多样,一样平常有Si, GaAs, GaN, InP, LN,LT,玻璃，蓝宝石，陶瓷等。
LN,LT, GaAs, GaN等相对硅来说更脆,因此减薄的极限厚 度更大些。
以硅为例,能够将12寸硅片减薄到50um 旁边。

三、晶圆减薄的工艺步骤

1、选取得当的晶圆：选择晶圆时须要根据生产哀求和本钱考虑，一样平常选择经由初步洗濯和考验合格的单晶硅圆盘。

2、磨削：采取机器研磨、化学机器研磨等方法，将晶圆背面削薄，以提高晶圆在芯片制造过程中的加工性能和减少材料摧残浪费蹂躏。

3、洗濯：研磨后须要对晶圆进行彻底的洗濯，以去除研磨残留物和污染物，以确保晶圆的质量和性能。

4、平坦度丈量：对研磨后的晶圆进行平坦度测试，以确保后续加工过程中的精度。

5、考验：通过各种考验手段对晶圆再次进行考验，以确保晶圆完备符合制造标准和质量掌握哀求。
减薄后的晶圆可用于芯片加工、封装和测试等各个环节。
晶圆减薄工艺的精度和稳定性对付担保半导体器件终极的品质和性能具有主要影响。

晶圆减薄的详细步骤是把所要加工的晶圆粘接到减薄膜上，然后把减薄膜及上面芯片利用真空吸附到多孔陶瓷承片台上，杯形金刚石砂轮事情面的内外圆舟中线调度到硅片的中央位置，硅片和砂轮绕各自的轴线回转，进行切进磨削。
磨削包括粗磨、精磨和抛光三个阶段。

将从晶圆厂出来的Wafer进行背面研磨，来减薄晶圆达到封装须要的厚度。
磨片时，须要在正面（Active Area）贴胶带保护电路区域，同时研磨背面。
研磨之后，去除胶带，丈量厚度。

四、晶圆减薄工艺的种别

目前已经成功运用于硅片制备的磨削工艺有转台式磨削、硅片旋转磨削、双面磨削等。
随着单晶硅片表面质量需求的进一步提高，新的磨削技能也不断提出，如TAIKO磨削、化学机器磨削、抛光磨削和行星盘磨削等。

1、转台式磨削

转台式磨削（rotarytablegrinding）是较早运用于硅片制备和背面减薄的磨削工艺，其事理如图1所示。
硅片分别固定于旋转台的吸盘上，在转台的带动下同步旋转，硅片本身并不绕其轴心迁徙改变；砂轮高速旋转的同时沿轴向进给，砂轮直径大于硅片直径。
转台式磨削有整面切入式（faceplungegrinding）和平面切向式（facetangentialgrinding）两种。
整面切入式加工时，砂轮宽度大于硅片直径，砂轮主轴沿其轴向连续进给直至余量加工完毕，然后硅片在旋转台的带动下转位；平面切向式磨削加工时，砂轮沿其轴向进给，硅片在旋转盘带动下连续转位，通过往来来往进给办法（reciprocation）或缓进给办法（creepfeed）完成磨削。

减薄晶圆的机器背面研磨是常用的减薄方法之一，其基本流程包括以下几个步骤：

（1）选取研磨机和研磨轮

选择适用的研磨机和研磨轮是紧张任务。
一样平常选取刚性较好的研磨机，研磨轮的种类较多，如金刚石砂轮、绿碳化硅砂轮等，须要根据晶圆材料的不同而选择不同的砂轮。

（2）研磨晶圆背面

将晶圆固定在研磨机的研磨盘上，并通过调度加载压力、转速、进给速率等参数，掌握研磨量和表面粗糙度，使晶圆表面平整光滑。

（3）洗濯晶圆背面

为了去除研磨过程中产生的余渣和污垢，须要用去离子水或其他适用的洗濯溶液洗濯晶圆背面。

（4）考验晶圆质量

对研磨过的晶圆进行质量考验，如检讨表面平整度、薄膜厚度等。
机器背面研磨是减薄晶圆的一种可靠方法，通过掌握研磨过程中的参数，可以得到空想的减薄效果。

与研磨方法比较，转台式磨削具有去除率高、表面损伤小、随意马虎实现自动化等优点。
但磨削加工中实际磨削区（activegrinding）面积Ｂ和切入角θ（砂轮外圆与硅片外圆之间夹角）均随着砂轮切入位置的变革而变革，导致磨削力不恒定，难以得到空想的面型精度（TTV值较高），并随意马虎产生塌边、崩边等毛病。
转台式磨削技能紧张运用于200mm以下单晶硅片的加工。
单晶硅片尺寸增大，对设备事情台的面型精度和运动精度提出了更高的哀求，因而转台式磨削不适宜300mm以上单晶硅片的磨削加工。
晶圆减薄中的机器背面研磨会造成晶圆表面的磨损，如果掌握不好，就可能产生压痕。
常见的产生压痕的缘故原由如下：

（1）磨粒颗粒过大或过硬

如果研磨机利用的砂轮磨粒过大或硬度过高，随意马虎对晶圆表面产生过高的切削力，形成压痕。
（2）砂轮截面形状和晶圆材料不匹配

砂轮截面形状和晶圆材料不匹配，随意马虎产生过高的切削力，切削力浸染下的压力不足均匀，随意马虎形成压痕。
（3）研磨过程中的机器震撼或机器不稳定

如果研磨机在运行过程中涌现机器震撼或者不稳定，会导致晶圆表面切削力不屈均，形成压痕。
（4）研磨前准备不充分

如果晶圆表面有污垢或其他不良质量，很随意马虎对研磨过程产生滋扰，也可能产生压痕。

为提高磨削效率，商用平面切向式磨削设备常日采取多砂轮构造。
例如在设备上装备一套粗磨砂轮和一套精磨砂轮，旋转台旋转一周依次完成粗磨和精磨加工，该形式设备有美国GTI公司的G-500DS（下图）。

为了避免晶圆减薄中产生压痕，可以采纳以下的方法：

（1）选用匹配的砂轮和磨粒

根据晶圆材料的硬度、薄膜厚度等特色，选择得当的砂轮和磨粒。
磨粒尺寸该当逐渐减小，防止过大的磨粒造成损伤。
（2）掌握研磨机参数

须要根据详细的晶圆材料、尺寸和研磨机选用的砂轮来调度研磨参数，包括加载压力、转速、进给速率等。
（3）掩护研磨机器性能

研磨机须要保持正常的运行状况，维修或改换老化部件和砂轮，避免机器不稳定或涌现非常震撼。
（4）根据须要进行洗濯或其他前处理

在研磨之前要对晶圆进行适当的洗濯或其他前处理，以避免研磨过程中涌现滋扰。

2、硅片旋转磨削

为了知足大尺寸硅片制备和背面减薄加工的须要，得到具有较好TTV值的面型精度。
1988年日本学者Matsui提出了硅片旋转磨削（in-feedgrinding）方法，其事理如图3所示吸附在事情台上的单晶硅片和杯型金刚石砂轮绕各自轴线旋转，砂轮同时沿轴向连续进给。
个中，砂轮直径大于被加工硅片直径，其圆周经由硅片中央。
为了减小磨削力和减少磨削热，常日把真空吸盘修整成中凸或中凹形状或调度砂轮主轴与吸盘主轴轴线的夹角，担保砂轮和硅片之间实现半打仗磨削。

硅片旋转磨削与转台式磨削比较具有以下优点：

（1）单次单片磨削，可加工300mm以上的大尺寸硅片；

（2）实际磨削区面积Ｂ和切入角θ恒定，磨削力相对稳定；

（3）通过调度砂轮转轴和硅片转轴之间的倾角可实现单晶硅片面型的主动掌握，得到较好的面型精度。

其余硅片旋转磨削的磨削区和切入角θ还具有可实现大余量磨削、易于实现在线厚度与表面质量的检测与掌握、设备构造紧凑、随意马虎实现多工位集成磨削、磨削效率高档优点。

为了提高生产效率，知足半导体生产线需求，基于硅片旋转磨削事理的商用磨削设备采取多主轴多工位构造，一次装卸即可完成粗磨和精磨加工，结合其他赞助举动步伐，可实现单晶硅片“干进干出（dry-in/dry-out）”和“片盒到片盒（cassettetocassette）”的全自动磨削。

3、双面磨削

硅片旋转磨削加工硅片高下表面时须要将工件翻转分步进行，限定了效率。
同时硅片旋转磨削存在面型偏差复印（copied）和磨痕（grindingmark），无法有效去除线切割（multi-saw）后单晶硅片表面的波纹度（waviness）和锥度等毛病，如图4所示。
为战胜以上毛病，在20世纪90年代涌现了双面磨削技能（doublesidegrinding），其事理如图5所示。
两侧面对称分布的夹持器将单晶硅片夹持在保持环中，在辊子的带动下缓慢旋转，一对杯型金刚石砂轮相对位于单晶硅片的两侧，在空气轴承电主轴驱动下沿相反的方向旋转并沿轴向进给实现单晶硅片的双面同时磨削。
从图中可看出，双面磨削可有效去撤除除线切割后单晶硅片表面的波纹度和锥度。
按照砂轮轴线支配方向，双面磨削有卧式和立式两种，个中卧式双面磨削能有效降落硅片自重导致的硅片变形对磨削质量的影响，随意马虎担保单晶硅片两面的磨削工艺条件相同，且磨粒和磨屑不易勾留在单晶硅片的表面，是比较空想的磨削办法。

下表1所示为上述三种单晶硅片的磨削与双面研磨的比拟。
双面研磨紧张运用于200mm以下硅片加工，具有较高的出片率。
由于采取固结磨料砂轮，单晶硅片的磨削加工能够得到远高于双面研磨后的硅片表面质量，因此硅片旋转磨削和双面磨削都能够知足主流300mm硅片的加工质量哀求，是目前最紧张的平整化加工方法。
选择硅片平整化加工方法时，须要综合考虑单晶硅片直径大小、表面质量以及抛光片加工工艺等哀求。
晶圆的背面减薄加工只能选择单面加工方法，如硅片旋转磨削方法。

硅片磨削加工中除了选择磨削方法，还要确定选择合理的工艺参数如正向压力、砂轮粒度、砂轮结合剂、砂轮转速、硅片转速、磨削液黏度及流量等，确定合理的工艺路线。
常日采取包括粗磨削、半精磨削、精磨削、无火花磨削和缓退刀等磨削阶段的分段磨削工艺得到高加工效率、高表面平整度、低表面损伤的单晶硅片。

新的磨削技能可以参考文献:

新的超薄晶圆磨减少薄技能可以参考文献:

有载片磨减少薄技能和留边磨削技能，如下图：

五、晶圆减薄研磨工序先容

常见的用于晶圆减薄用的机器背面研磨设备有以下几种：1、行星式研磨机（Planetary Polisher）

行星式研磨机是一种范例的机器背面研磨设备，适用于减薄硅晶圆。
晶滑腻调皮过真空吸盘悬挂在研磨盘上，盘面带有4-6个支架，上面锁定着晶圆。
研磨机研磨盘高速旋转，在掌握好压力的情形下，研磨盘与晶圆之间的空气缝隙压缩，以达到研磨浸染。
该研磨机构造紧凑、研磨效果好。
2、旋盘式研磨机

旋盘式研磨机采取多个研磨盘旋转和旋转运动的办法对晶圆进行研磨。
晶滑腻调皮过吸盘吸附，盘面由多个小盘组成。
在掌握好研磨参数，如压力、转速、砂轮选用等参数的情形下，可以掌握研磨过程中产生的量和表面粗糙度，同样适用于多种材料晶圆减薄。
3、轮盘式研磨机

轮盘式研磨机是一种大盘直径的平面研磨机，适用于大型硅晶圆的研磨。
盘面上具有多个研磨轮，磨盘磨槽上带有一定的斜角，可以研磨出很好的表面均匀度。
并且，晶圆和研磨轮之间的压力可以通过气浮体和液压进行掌握，以达到最佳研磨效果。
4、旋转碟式研磨机

旋转碟式研磨机基于碟式研磨，具有高效、高精度和高均匀度的特点，适用于硅晶圆、蓝宝石晶圆、氮化硅晶圆等多种材料晶圆减薄。
旋转碟式研磨机通过改变加工参数如磨轮、磨粒、压力等实现研磨硅片表面的平整化。
总之，不同的机器背面研磨设备适用于不同的晶圆减薄材料和精度哀求，选择得当的设备可以提高减薄效率和质量。

六、晶圆减薄抛光工序先容

晶圆减薄的另一种方法是通过抛光来完成。
抛光是一种磨削表面的机器加工方法，常见于超精密加工领域。
抛光过程须要利用分外的抛光机器和抛光布或砂纸等工具。

1、抛光常见步骤（1）选取抛光机和抛光布

与研磨类似，抛光也须要选取得当的抛光机器和抛光布。
抛光机器常日是高精度掌握的机器，抛光布的材料和尺寸需与晶圆材料和大小匹配。
（2）抛光晶圆背面

将晶圆装载到抛光机上，并逐步调度抛光压力、转速等参数，使晶圆表面达到空想的粗糙度。
（3）洗濯晶圆背面

洗濯过程类似于研磨过程中的洗濯步骤，也须要用去离子水等适当的洗濯液洗濯晶圆背面，以去除抛光过程中产生的残留。
（4）考验晶圆质量

与研磨过程相似，抛光完成后须要对晶圆进行质量考验，如检讨平整度、薄膜厚度等。
抛光是一种高效、精确的减薄方法，能够在达到逼迫性减薄的同时保持晶圆表面的完全性和光洁度。
但须要把稳的是，抛光过程须要结合物理化学性子及工艺流程进行合理设计，以担保晶圆的质量安全。

晶圆减薄过程中通过抛光来达到厚度掌握的目的，与机器背面研磨比较，抛光的减薄效果更为均匀，而且表面的光洁度也更高。
抛光过程对付晶圆的材料性子选择、表面情形、抛光机器和抛光布的选择等成分都有着很高的哀求，如果处理不当就可能对晶圆造成损伤。

2、抛光损伤缘故原由

以下是抛光过程中，可能造成损伤的缘故原由：

（1）抛光剂的选择导致材料浸蚀

抛光剂能有效地去除表面材料，但如果选择的抛光剂具有太强的溶解能力，就很随意马虎将晶圆表面的材料浸蚀掉，造成晶圆表面凹凸不平。
（2）抛光参数设置不当

不恰当的参数设置，包括抛光韶光、抛光扭力、磨料类型和性能、荷载、转速以及丝网粗细等成分，可能会对晶圆表面造成不屈均的磨损和形状变革。
（3）抛光布表面瑕疵

在晶圆抛光过程中，如果利用的抛光布表面存在瑕疵，例如眇小的裂纹或颗粒杂质，就会在晶圆表面留下物理痕迹和抛光痕迹。
（4）机器振动或机器不稳定

如果抛光机在运行时涌现机器振动或不稳定的情形，会导致抛光不屈均，在其表面产生形状变革和痕迹损伤。
因此，在进行晶圆厚度减薄的过程中，如需采取抛光技能，须要考虑多个成分，并且进行科学、规范的操作和参数设置，以尽可能避免对晶圆的损伤，担保晶圆的质量和稳定性。

3、抛光常用设备

晶圆减薄中常用的抛光设备有以下三种：

（1）垂直式抛光机

垂直式抛光机利用的抛光方法因此旋转的抛光盘来研磨晶圆，常日利用气流或真空吸附办法固定晶圆。
该机型适用于小晶圆以及其他形状非标准的晶圆。
垂直式抛光机通过荷载磨料或悬浮的液态磨料来实现抛光，但由于抛光盘和钢丝绳等的磨损，利用寿命相对较短。
（2）旋盘式抛光机

旋盘式抛光机也是一种常用的抛光设备，常日利用与普通研磨机相同的气动或真空吸附办法来固定晶圆。
旋盘式抛光机采取旋转的研磨盘，较为适于晶圆边缘的加工。
它的优点是操作大略，易于实现自动化生产。
涌现技能故障时，可自行改换研磨盘。
（3）行星式抛光机

行星式抛光机也是一种常用的抛光设备，通过4-6个颠簸式的支架锁定晶圆并掌握其摆动，制造出类似行星运行的状态。
这种抛光办法可以达到略高于旋转盘式抛光机的抛光均匀度。
行星式抛光机的抛光韶光相对其他设备更短，每个晶圆的加工韶光约为15-20分钟，有效提高生产效率和加工质量。
除了以上设备，还有其他基于平板和夹具平分歧事理的抛光机种类。
须要根据实际需求，结合晶圆尺寸、材质等选择得当的抛光设备。

七、晶圆减薄工艺的难点

1、精确掌握减薄厚度较难

晶圆的均匀厚度对付担保整批晶圆中的器件具有同等性至关主要。
如果采取刻蚀的方法进行减薄，晶圆厚度的均匀性将得不到保障。

2、掌握表面质量较难

减薄过程中常常会产生表面粗糙度过大、微裂纹，颗粒等其他表面毛病。

3、应力掌握较难

减薄过程中会引入热应力和机器应力,这些应力会导致晶圆波折、变形或产生内部毛病等。

总结一下

集成电路制造技能的进步首先来源于市场需求的哀求，其次是竞争的哀求。
在集成电路制造中，半导体硅材料由于其资源丰富，制造本钱低，工艺性好，是集成电路主要的基体材料。

从集成电路断面构造来看，大部分集成电路是在硅基体材料的浅表面层上制造。
由于制造工艺的哀求，对晶片的尺寸精度、几何精度、表面清洁度以及表面微晶格构造提出很高哀求。
因此在几百道工艺流程中，不可采取较薄的晶片，只能采取一定厚度的晶片在工艺过程中通报、流片。
常日在集成电路封装前，须要对晶片背面多余的基体材料去除一定的厚度。
这一工艺过程称之为晶片背面减薄工艺，对应装备便是晶片减薄机。

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